ANSYS中绳索仿真的高级技术探讨

绳索，俗称绳子，是通过扭或编等方式加强后，连成一定长度的纤维。其拉伸强度很好但没有压缩强度，可用来做连接、牵引的工具。绳索的用途数不胜数：从建筑中的材料固定、到岩土工程中的柔性锚索、汽车门窗的升降拉索、电缆导线等等。如何在仿真中高效准确地模拟绳索，对很多行业都有着实际的意义。

以往ANSYS缺乏专门的绳索单元，通常会以Link180单元模拟杆件，设定关键字选项KEYOPT来模拟受拉/拉压/受压等不同特征。特殊情况下，也有工程师以Beam188单元模拟线缆。ANSYS2020R1正式加入了新的绳索单元cable280,可以分析上述斜拉绝缘子、线缆等结构。

CABLE280适用于分析中等至极细的缆索结构（如海底缆索）。该单元是三维空间中的二次三结点线单元。每个节点有三个自由度：x、y和z方向上的平移。相比于传统的线单元link180、beam188，cable280收敛性更好，也更贴近实际。

首先选择一根斜拉绝缘子做测试，测试模型由一根线体和两端面体构成，几何模型共享节点。斜拉绝缘子材料如下表所示。固定约束面体两端，施加重力加速度，并打开大变形（下同）。

斜拉绝缘子材料属性

ANSYS2020R1之后的版本，在线体下方的model type即可选择cable(默认为beam)，如下图所示。

即便选择cable类型，软件自动指定为只受拉不受压的LINK180杆单元，而非Cable280单元。想必很多同学在这里会很疑惑，不妨可以选用下面的方法来使用cable单元。即在线体下方插入command snippet：

et,matid,cable280

sectype,matid,link                    !Cable单元的截面类型为Link

secdata,ARG1                         !ARG1为截面面积

然后就可以回到最初的阀塔装配体模型，在该复杂装配体中采用cable单元与link单元进行对比计算。

经验告诉我们，对于只受拉不受压的柔索结构，施加预应变有助于收敛，甚至可以说是收敛的先决条件。在此，我们建议采用cable单元时施加预应变。在/solu中施加预应变或预应力inistate命令如下:

esel,s,ename,,180

inistate,set,csys,elem

inistate,set,dtyp,epel

inistate,define,,,,,1e-4                             !!!特别容易出错

在实际工作中常常会遇到下面的情况，大型装配体中多个重复部件，使问题变得复杂。

其实，ACT的脚本很多时候可以很方便地帮助用户处理重复性的工作，有兴趣的读者可以回复，查看这里的脚本命令。但此处，我们对比计算后，推荐下面的方式。

显然，采用Cable280单元只需要19个迭代步即可收敛，而Link180单元则需要33个迭代步。在2020年7月份，ANSYS2020R2版本发布，进一步提升了cable单元的易用性。在ANSYS2020R2之后的版本，需要在Workbench Options中打开beta选项，并在Mechanical的Betafeature selection勾上“Use Cable higher order element”框。如下所示。

此处也可以理解，“UseCable higher order element”的同时还需要用户在Mechanical中强制定义cable几何为高阶单元（即二次单元），否则软件依然会自动赋予Link180单元。此处可以用mesh method automatic单独指定线体的二阶单元，也可以设定全局为二阶单元，推荐前者。最后，将Model Type设定为Cable。注意：选用Cable单元需要打开几何大变形，否则求解会报错。新版本ANSYS2020R2中，Model Type下面就无需定义beam也无需command snippet，就自动赋予了cable单元，还是很方便的。*** ELEMENT MATRIXFORMULATION TIMES
     TYPE    NUMBER  ENAME      TOTAL CP  AVE CP
        1    47278  SOLID187      5.469   0.000116
        2    47044  SOLID187      5.328   0.000113
       3         1  CABLE280     0.000   0.000000
       4       627 SURF154       0.016   0.000025 总结：在斜拉绳索的模拟中，ANSYS2020R1新加入的绳索单元Cable280收敛性能普遍优于只受拉不受压的Link180单元。当复杂装配体包含多条只受拉不受压的绳索/拉杆时，考虑采用多个载荷步，并在第1个载荷步施加极小的预紧长度值，可以大大提升收敛性能，无论是采用Cable280单元还是Link180单元。当在Mechanical中使用Cable单元时，可以将线体设定为Beam类型（节点数和cable单元一致）并用command更改单元类型为Cable。当然，新版本ANSYS2020R2中可以更简单的设定。

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