2020Ansys新单元：CABLE280缆索单元简介及应用举例

CABLE280单元是ANSYS 2020R1新推出的缆索单元，可以用来模拟拉索和电缆等中等至极细的以轴力为主的结构，广泛地应用于海洋平台、建筑和机械行业。

 

与其他线体单元（如LINK 180、BEAM 188、BEAM 189等）相比，CABLE 280采用了高阶形函数，能实现良好的网格收敛性和较粗单元下良好的计算精度。

 

CABLE280是三维的二次三节点线单元，单元几何构成图中包括I、J、K、L四个节点，其中节点L为方位节点，可省略。每个节点有三个自由度：节点x、y和z方向的平动。即其不受弯矩，只有平移自由度，计算效率高。

 

▲ 图1. CABLE280 Geometry

 

1、CABLE280是基于混合位移和轴力(U-F)函数：位移采用二阶近似，轴力采用一阶线性近似。当求解高度非线性的静力学或动力学问题时，需要使用迭代求解（NLGEOM,ON）。

 

2、CABLE280支持弹性、等向硬化、随动硬化、Chaboche硬化和蠕变；支持附加质量、阻尼、抗压刚度折减、粘性正则化和初始状态。

 

l  附加质量：可以对单元添加单位长度的质量（SECCONT ROL，ADDMAS）。

 

l  阻尼：可以定义非线性的阻尼系数（SECCONT ROL,,,CV1,CV2），用于表征流体环境的非线性阻尼效应特性。

 

l  抗压刚度折减：缆索非常柔软几乎不能受压，实际抗压刚度比较小，以抗拉刚度（EA）乘于系数进行折减。

 

l  粘性正则化：缆索在受压和受拉状态之间切换，因为刚度不连续，可能出现的收敛困难。单元使用粘性正则化帮助收敛。

 

l  初始状态：设置初始应力或初始应变，以保证求解的鲁棒性。因为柔软缆索侧向刚度非常依赖轴力，若无初始应力或初始应变，总刚矩阵可能奇异，计算无法收敛。

 

应用举例

 

用Cable280单元简单模拟铰车卷扬线缆过程

 

模型

 

建立一个内径1000mm，外径1200mm，宽500的实体环柱用于模拟绞车卷筒，长8000mm的线用于模拟线缆，在卷筒中心位置建立一个Keypoint。

 

其中：

 

l  卷筒外表面分割出一小块，将用于与线缆端绑定约束，模拟绳卡固定。

l  卷筒内表面与中心点建立多点约束绑定，卷筒将绕中心转动，以方便施加约束。

l  绳索与卷筒外表面建立摩擦接触，以模拟卷缆过程。

 

假定卷筒材料为结构钢，线缆材料为聚乙烯。

 

用Solid185单元来划分卷筒，

 

用Cable280单元来划分线缆。

 

▲ 图2. 几何模型

 

▲ 图3. 有限元模型

 

材料属性

 

 

边界条件与加载

 

1、中心点：

Ux=0，Uy=0，Uz=0，ROTx=0，ROTy=0， ROTz=12.566(卷缆两周)

 

2、线缆端点：

Fx=100，Uy=0，Uz=60（排缆侧向位移），ROTx=0，ROTy=0，ROTz=0

 

位移结果动画