电缆建模优化方案

电缆建模优化方案

如图为电线电缆的结构形式

由于实际情况为39束电线电缆缠绕在一起，故此捆绑的电线电缆已构成实质上的复合材料，若仿真过程中将其设置成为内部金属，外部包绝缘物质，则误差较大，不符合实际情况，应将其设置为复合材料类型，并通过复合材料的失效判别方法来判定。在本文通过复合材料力学的分析方法来进行分析：

在一以下计算中，用f表示金属线，m表示绝缘塑料。

（一）材料力学分析方法的基本假设

1.在单向纤维复合材料中，纤维和基体在纤维方向的应变是相等的，即垂直于1轴的截面加载前后保持平面（这是材料力学中最基本的假设）。

2. 只有2方向受力时，2方向两种材料应力相等

3. 纯剪切的体积单元两种材料剪力相等

但在本项目中由于本材料为电缆，金属线与绝缘材料、不同电缆之间均可能出现滑动，进而使得切应力不相等。而且，由于其内部存在摩擦力，故切应力也不为0，故在现有条件下应将切应力大小设置为一个范围，或者将粘连状态下的剪切模量G0乘一个不大于1的系数k，来等效本模型的剪切模量。

（2） 刚度系数矩阵参数的确定：

1. E1的确定

由纤维方向等应变假定，

通过1方向合力相等得：

式中，为纤维的相对体积含量

Cf=0.45

E1=110000*0.45+600*0.55=49830

2. E2的确定

由横向等应力假定：

通过2方向合理相等得：

E2=110000*600/(0.45*600+0.55*110000)=1086

3. v21的确定

由横向变形相等可解得：

V=0.45*0.326+0.55*0.4=0.3667

4. v12的确定

v12由柔度S的对称性条件可知：

5. G12的确定

在对层合板式复合材料分析过程中，由于不同材料间相互粘连，故在一般复合材料分析中将其设置为切应力相等，但由于本材料为电缆，金属线与绝缘材料、不同电缆之间均可能出现滑动，进而使得切应力不相等。而且，由于其内部存在摩擦力，故切应力也不为0，故在现有条件下应将切应力大小设置为一个范围，或者将粘连状态下的剪切模量G0乘一个不大于1的系数k，来等效本模型的剪切模量。

首先计算粘连状态下的剪切模量G012：

Gm=600/2(1+0.4)=214.285

Gf=110000/2(1+0.326)=41478.129713

G012=214.285*41478.129713/(0.45*214.285+0.55*41478.129713)=387.969

193.9845

初步设置k=0.5，后续k值逐步精确。

（3） 刚度系数矩阵：

易知：电缆可等效为横观各向同性材料，故有如下刚度系数矩阵：

其中，C33=E1，C11=E2，C44=G12，C66为横向的剪切模量，较为复杂，需实验测得，但由于电缆较细，横向的剪切模量对仿真中分析应力集中点的分析影响不大，故可近似为0.5（Gm+Gf）。C12为横向的泊松比乘轴向弹性模量，近似取-E1*0.3，C13=E1*v12

用以上刚度系数矩阵代替原来各向同性的参数，可能会使仿真结果更精确。

（4） 相对体积含量估计：

对于相对体积含量cf,由于目前暂无实物，故根据下图估计cf为0.45

（5） 优化之处：

与原来设置相比，不同之处：

1.电缆设置金属占比过大，与实际不符，引入相对体积含量cf，使得金属占比减小

2.原来电缆设置中未考虑内部线束未相互粘连而导致剪切模量减小，引入系数k，令G12=kG012，k为不大于1的参数，通过控制k的大小来进行对金属丝与绝缘皮，小线束之间相互摩擦而产生剪切模量改变的模拟。

（6） 需提高点：

1.由于材料设置为横观各项同性，而ABAQUS中电缆有转弯行为，不知是否可以实现延电缆轴向设置的材料属性。

2.在对电缆进行横向弹性模量E2的计算中，由于电缆被外部绝缘皮裹在一起，计算中按照粘合在一起计算，可能会有误差存在。

3.对于外部PTFE绝缘塑料，其弹性模量Em与泊松比vm随内部制作工艺等因素影响不同而导致差别较大，以及其受温度等外部影响也较大，故初步取Em为500MPa，vm为0.4，后期通过实验测量。

材料设置采用“工程常数”，需要9个变量，将1方向定义为电缆轴向，则设置中的E1为上文计算中E1，E2,E3为上文计算中E2，泊松比都为0.3667（因两个材料的泊松比相差不大），G12,G13为上文计算中的G12，G23目前无法确定，故先设置为两种材料的平均值。最终如属性中设置。

在ABAQUS中还需定义材料的方向，使得轴向为材料属性设置中的1方向，环向为2，3方向（我尝试过不会设置，需要你研究）