這個示例問題演示了三種方法來模擬管內(nèi)的多線線圈。每個模型使用不同的接觸場景：面-面、梁-面或梁-梁。比較表明，使用梁-梁接觸的梁模型在簡化建模和減少計算時間方面具有最佳優(yōu)勢。

重點介紹了以下特性和功能：

• 通過CONTA177單元建模的梁-梁和梁-面接觸

• 橫梁之間的內(nèi)部接觸

介紹和問題描述

多線線圈和多股電纜主要用于醫(yī)療設(shè)備和汽車行業(yè)。一個例子是植入式導線，它可能是心臟除顫器等醫(yī)療設(shè)備的一部分。

通常進行彎曲分析以模擬電纜和線束，以模擬線圈線或電纜股水平的實際物理行為。使用實體單元分析這些類型的結(jié)構(gòu)在計算上可能很昂貴。另一方面，具有梁-梁接觸的梁模型提供簡化建模的快速準確的解。

對可植入導線模型進行彎曲分析。該結(jié)構(gòu)由聚合物管殼內(nèi)的五線金屬線圈組成。管長3.45 mm，外徑0.43 mm，內(nèi)徑0.36 mm。線圈導線的半徑為0.05 mm，導線之間的初始間隙為0.0125 mm。

在每個模型中定義了兩個接觸對：一個用于線圈的線-線接觸的自接觸對，以及線圈和管之間的一個接觸對。要應用彎曲邊界條件，管和線圈的一端固定，另一端繞Y軸旋轉(zhuǎn)1.2弧度。

創(chuàng)建了三種不同的模型：

1. 實心管和實心線圈

2. 實心管和梁線圈

3. 束管和束線圈

使用的具體單元類型和接觸模型如下：

三種類型的網(wǎng)格如下：

建模

建模五絲線圈

線圈的半徑為0.3mm，導線的半徑為0.05mm，導線之間的初始間隙為0.0125mm。

情況1：創(chuàng)建了五層實心螺旋線圈，并用SOLID186單元劃分網(wǎng)格；見下圖（a）。

情況2和情況3：創(chuàng)建螺旋線圈的線模型，并用BEAM189單元劃分網(wǎng)格；見下圖（b）。

建模管

管長3.45mm，外徑0.43mm，內(nèi)徑0.36mm。

情況1和情況2：創(chuàng)建管的全三維模型，并用SOLID186單元進行網(wǎng)格劃分；見下圖（a）。

情況3：創(chuàng)建管道的線模型，并用PIPE289單元進行網(wǎng)格劃分；見下圖（b）。

建模接觸對

線圈和管之間的接觸

線圈和內(nèi)管表面之間的接觸在三種情況下建模不同，如下所述。

情況1：使用面-面接觸。多線線圈的外表面用CONTA174接觸單元劃分網(wǎng)格，管的內(nèi)表面用TARGE170目標單元劃分網(wǎng)格；見下圖（a）。

情況2：使用線-面接觸。多線線圈用CONTA177接觸單元劃分網(wǎng)格，管的內(nèi)表面與TARGE170目標單元劃分網(wǎng)格；見下圖（b）。

情況3：使用線-線（梁-梁）接觸。多線線圈用CONTA177接觸元件單元劃分網(wǎng)格，管用TARGE170目標單元劃分網(wǎng)格；見下圖（c）。

使用以下非默認接觸設(shè)置。

• CONTA177單元（情況2和情況3）：

–KEYOPT（3）=2，包括所有接觸場景，包括內(nèi)部交叉梁-梁接觸以及束面接觸。

–KEYOPT（14）=2，以定義與每個接觸檢測點交互的多個目標段。

• TARGE170單元（情況3）：

–KEYOPT（9）=1，用于定義內(nèi)部梁間接觸

線圈薄膜之間的自接觸

對于三種情況，絲線表面之間的自接觸建模不同，如下所述。

情況1：線圈絲線之間的自接觸被建模為面對面接觸。多線線圈的外表面用CONTA174接觸單元和TARGE170目標單元兩者劃分網(wǎng)格；見下圖（a）。

情況2和情況3：線圈線之間的自接觸被建模為平行線對線接觸。

多線線圈用CONTA177接觸單元和TARGE170目標單元兩者劃分網(wǎng)格；見下圖（b）。

使用以下非默認接觸設(shè)置。

• CONTA177單元（情況2和情況3）：

–KEYOPT（3）=1，用于定義平行梁-梁接觸。

–KEYOPT（14）=2，以定義與每個接觸檢測點交互的多個目標段。

材料屬性

為金屬線圈定義了線性彈性材料行為，并使用Neo-Hookean模型對聚合物管進行建模。

邊界條件和加載

為了應用邊界條件，在管和線圈的兩端定義了基于MPC的剛性約束。引導點被限定在每個端部，并且被連接到在管的端部表面和線圈的端部節(jié)點處產(chǎn)生的CONTA175單元。

一端的引導節(jié)點在所有方向上都是固定的；另一端的引導節(jié)點繞Y軸旋轉(zhuǎn)1.2弧度。

分析和求解控制

對每個模型進行非線性彎曲分析。啟用大偏轉(zhuǎn)效果（NLGEOM，on）。

結(jié)果和討論

對所有三種方法的比較研究將顯示梁-梁模擬的有效性（情況3）

位移

繪制了三個模型的位移矢量和（USUM）。這三個值都相似。

Von Mises應力

繪制了三個模型的Von Mises應力（SEQV）。圖中顯示，在所有三個模型中，最大應力發(fā)生在相似的位置，總體應力模式相似。

計算時間

下表比較了三種情況的模擬時間和累積迭代：

上述數(shù)據(jù)表明，與實體模型相比，梁-梁模擬（情況3）的計算成本更低。

結(jié)論

對這些模型的Von Mises應力和計算時間的比較表明，通過使用簡化的梁模型和梁-梁接觸，可以獲得類似的結(jié)果和減少的計算時間。

建議

以下幾點對于梁-梁接觸建模很重要。

• 使用管道單元（PIPE289）將聚合物管道結(jié)構(gòu)建模為線體。目前，沒有一個彈性材料模型可以用梁單元（BEAM188、BEAM189）建模。

• 當涉及內(nèi)部梁接觸時，為接觸單元設(shè)置KEYOPT（3）=2，以捕捉任何內(nèi)部交叉和平行梁-梁接觸。在該示例中，交叉接觸類型在線圈和管之間占主導地位；平行接觸類型可能在New-Raphson迭代期間發(fā)生。

• 為接觸單元設(shè)置KEYOPT（14）=2，以允許每個接觸檢測點同時與多個目標段交互。