CABLE280纜索單元簡介及應用舉例
作者：陳志梅 上海安世亞太結構應用工程師
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CABLE280單元是ANSYS 2020R1新推出的纜索單元，可以用來模擬拉索和電纜等中等至極細的以軸力為主的結構，廣泛地應用于海洋平臺、建筑和機械行業。
優勢
與其他線體單元（如LINK 180、BEAM 188、BEAM 189等）相比，CABLE 280采用了高階形函數，能實現良好的網格收斂性和較粗單元下良好的計算精度。
CABLE280是三維的二次三節點線單元，單元幾何構成圖中包括I、J、K、L四個節點，其中節點L為方位節點，可省略。每個節點有三個自由度：節點x、y和z方向的平動。即其不受彎矩，只有平移自由度，計算效率高。
▲ 圖1. CABLE280 Geometry
■ CABLE280是基于混合位移和軸力(U-F)函數：位移采用二階近似，軸力采用一階線性近似。當求解高度非線性的靜力學或動力學問題時，需要使用迭代求解（NLGEOM,ON）。
■ CABLE280支持彈性、等向硬化、隨動硬化、Chaboche硬化和蠕變；支持附加質量、阻尼、抗壓剛度折減、粘性正則化和初始狀態。
附加質量
：可以對單元添加單位長度的質量（SECCO N T R OL，ADDMAS）。
阻尼
可以定義非線性的阻尼系數（SECCO N T R OL,,,CV1,CV2），用于表征流體環境的非線性阻尼效應特性。
抗壓剛度折減
纜索非常柔軟幾乎不能受壓，實際抗壓剛度比較小，以抗拉剛度（EA）乘于系數進行折減。
粘性正則化
纜索在受壓和受拉狀態之間切換，因為剛度不連續，可能出現的收斂困難。單元使用粘性正則化幫助收斂。
初始狀態
設置初始應力或初始應變，以保證求解的魯棒性。因為柔軟纜索側向剛度非常依賴軸力，若無初始應力或初始應變，總剛矩陣可能奇異，計算無法收斂。
應用舉例
用Cable280單元簡單模擬鉸車卷揚線纜過程
模型
建立一個內徑1000mm，外徑1200mm，寬500的實體環柱用于模擬絞車卷筒，長8000mm的線用于模擬線纜，在卷筒中心位置建立一個Keypoint。
-
其中：
■ 卷筒外表面分割出一小塊，將用于與線纜端綁定約束，模擬繩卡固定。
■ 卷筒內表面與中心點建立多點約束綁定，卷筒將繞中心轉動，以方便施加約束。
■ 繩索與卷筒外表面建立摩擦接觸，以模擬卷纜過程。
假定卷筒材料為結構鋼，線纜材料為聚乙烯。
用Solid185單元來劃分卷筒，用Cable280單元來劃分線纜。
▲ 圖2. 幾何模型
▲ 圖3. 有限元模型
材料屬性
|
|
結構鋼 |
聚乙烯 |
|
彈性模量（MPa） |
2e5 |
1100 |
|
泊松比 |
0.3 |
0.42 |
邊界條件與加載
-
中心點：
Ux=0，Uy=0，Uz=0，ROTx=0，ROTy=0， ROTz=12.566(卷纜兩周)
-
線纜端點：
Fx=100，Uy=0，Uz=60（排纜側向位移），ROTx=0，ROTy=0，ROTz=0
位移結果動畫
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