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ANSYS Mechanical 2020 R1 版本新特性-CABLE 280单元分析索结构

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本文摘要(由AI生成):

CABLE 280单元是一种三维三节点二次线单元,适用于分析中等至极细的缆索结构。该单元支持多种材料属性、附加质量、附加阻尼、抗压刚度折减、粘性正则化和初始应变。CABLE 280单元的输入数据包括几何形状、节点位置、单元坐标系、截面(仅施加分布荷载)、单元荷载、温度等。该单元支持生死单元、初始状态、大变形、大应变、线性摄动、非线性稳定和应力刚化等技术。CABLE 280单元的输出包括整体结果中的节点位移输出和单元附加输出。



导读:3D 缆索单元,可用的产品:Pro | Premium | Enterprise | PrepPost | Solver | AS add-on


一、CABLE 280 单元概述

CABLE280适用于分析中等至极细的缆索结构(如海底电缆)。该单元是三维三节点二次线单元。每个节点有x , y , z三个平动自由度。
CABLE280单元支持的材料属性包括:弹性,等向硬化塑性,随动硬化塑性,Hill 各向异性硬化,Chaboche 硬化和蠕变。该单元支持附加质量,附加阻尼,抗压刚度折减,粘性正则化和初始应变。
更多信息可以参考《ANSYS_Mechanical_APDL_Theory_Reference》
图 1[1] CABLE 280 单元的几何构成

二、CABLE 280 单元的技术和使用建议

CABLE 280 单元使用了混合轴力-位移函数,单元的位移采用二次函数描述,而轴力采用线性形式。轴力函数为非协调形式,因此相邻单元的轴力可能不相等。
当求解高度非线性的静力或动力问题时,需要使用迭代求解(NLGEOM,ON)。CABLE 280 单元的横向刚度依赖轴向拉力,因此当单元受到轴向压力时,求解可能变得不稳定。
与其他线单元,如LINK 180 , BEAM 188 , BEAM 189 等单元相比,CABLE 280 因为采用了高阶形式的形函数,能实现良好的网格收敛性和较粗单元下良好的计算精度。

三、CABLE 280 单元的输入数据

CABLE 280 单元的几何形状,节点位置,单元坐标系如图所示。CABLE 280 单元拥有四个节点,I , J , K , L 。
单元截面(即单元坐标系的Y-Z平面)只能施加分布荷载。L节点用于定于截面的方向,其定义方法与梁单元相同。关于自动生成L节点的方法,可以参考LATT 和 LMESH 命令的帮助文件。
对CABLE 280 单元也可以不定义L节点,在没有定义L节点的情况下,单元的Z轴从I 节点指向J 节点,Y轴与全局坐标系的X-Y平面平行。
如果该单元与全局Z轴平行(或者与Z轴夹角的斜率小于0.01%),则Y轴平行于全局Y轴。若要控制元素X轴的单元方位,请使用节点L。如果两者都定义,则节点L优先。如果定义了L节点,则L节点和I,J节点共同构成的平面将包含单元的X轴和Z轴。
如果在大变形分析中使用此单元,则节点L的位置仅用于单元的初始方向。
默认情况下,CABLE 280单元允许横截面面积作为轴向伸长率的函数而变化;因此,即使在变形后,单元的体积也保持不变。默认的单元行为适用于弹塑性分析(也可以通过KEYOPT(2)=1定义刚性横截面,即截面的面积不随轴向力改变)。
CABLE 280 是线单元,可以使用LINK单元的截面。截面的详细信息可以使用SECTYPE和SECDATA命令。通过SECNUM为单元定义截面。
单元荷载的定义可以参考一般单元荷载的定义。温度可以作为节点处的单元体荷载输入。节点I温度T(I)默认为TUNIF。节点J的温度T(J)默认为T(I))[2]。
CABLE 280 不支持实常数。

四、质量矩阵

对于质量矩阵和一致载荷矢量的计算,单元采用比刚度矩阵更高阶的积分规则。该单元同时支持一致质量矩阵和集中质量矩阵。(不要指定集中质量矩阵公式[LUMPM,ON],因为CABLE280是一个高阶单元。)默认情况下使用一致质量矩阵。可以对CABLE 280单元添加单位长度的质量(SECCONTROL,ADDMAS)。

五、阻尼

单元的阻尼部分仅对结构阻尼矩阵贡献阻尼系数。阻尼力由下式给出:



式中Cv为阻尼系数,其计算方法Cv=(Cv)1+(Cv)2v,式中v为前一子步骤中计算的速度。
第二个阻尼系数(Cv)2用于定义一个非线性的阻尼系数,此类阻尼系数一般由索周围的流体产生。阻尼系数的量纲为(力*长度*时间)/弧度。
可以使用SECCONTROL,,,CV1,CV2 命令定义阻尼系数。

六、抗压刚度折减

CABLE 280 单元支持设置为仅受拉模式(因此SECCONTROL,,TENSKEY 命令无效),但为了保证求解的鲁棒性,需要为仅受拉单元设置一个较小的抗压刚度。通过SECCONTROL,,,,CV3 命令可以设置单元的抗压刚度为抗拉刚度乘以一个折减系数。

七、粘性正则化

该单元使用粘性正则化来克服当缆绳从张力转换到压缩(或反之)时可能出现的收敛困难。粘性刚度正则化由以下公式给出:
其中K为粘性正则化前的刚度,Kv为粘性正则化后的刚度,μ为粘性正则化因子,可以通过SECCONTROL,,,,,CV4命令定义μ,默认粘性正则化因子为0.05。

八、初始状态

可以使用INISTATE 命令为CABLE 280单元指定初始状态,更多细节可以参考《ANSYS_Mechanical_APDL_Advanced_Analysis_Guide》。

九、CABLE 280 单元输入项汇总

有关单元输入的一般说明,请参见《ANSYS_Mechanical_APDL_Element_Reference》 41页。

十、节点

I , J , K , L(方向节点L是可选的,但建议使用)

十一、自由度

UX , UY , UZ

十二、材料属性

TB命令:参见《ANSYS_Mechanical_APDL_Element_Reference》61页。
MP命令:EX, (PRXY or NUXY), ALPX (or CTEX or THSX), DENS, GXY, ALPD, BETD, DMPR, DMPS

十三、面荷载

  • PRESS:
      1面:I-J 面,Z轴负方向垂直于单元
      2面:I-J 面,Y轴负方向垂直于单元
      3面:I-J 面,X轴正方向,单元切向
      4面:I 面,X轴正方向,单元轴向
      5面:J 面,X轴负方向,单元轴向 
I 和 J 为单元的端部节点。
使用负值定义与默认方向相反的荷载。
使用SFBEAM 命令定义面荷载。

十四、体荷载

  • 温度:  T(I), T(J)

十五、支持的技术

  • 生死单元

  • 初始状态

  • 大变形

  • 大应变

  • 线性摄动

  • 非线性稳定

  • 应力刚化

十六、KEYOPT(2)

截面变形

0-  可变形截面,材料体积不可压缩,截面积为轴向力的函数(默认为此项)

1-  刚性截面

十七、CABLE 280 单元的输出

求解的结果有两种输出形式:
  • 整体结果中的节点位移输出
  • 单元附加输出,如表1[1]所示。
求解结果的输出可以参照《ANSYS_Mechanical_APDL_Element_Reference》49页。单元输出可以再POST1 通用后处理器中使用 PRESOL,ELEM 命令查看。

十八、元素输出定义表使用以下符号:

名称列中的冒号(:)表示可以通过组件名称方法(ETABLE,ESOL)访问该项。O列表示jobname.out文件中的项的可用性。R列指示结果文件中项目的可用性。
在O和R列中,“Y”表示该项始终可用,数字表示表脚注,该脚注描述了该项何时有条件可用,而“-”表示该项不可用。
表 1 CABLE 280 输出项的定义

名称

定义

O

R

EL

单元编号

Y

Y

NODES

单元节点

Y

Y

MAT

材料编号

Y

Y

SECID

截面编号

Y

-

XC,YC,ZC

单元中心点位置

Y

1

TEMP

温度(I , J , K 节点)

Y

Y

AREA

截面积

Y

Y

FORCE

单元坐标系下的单元内力

Y

Y

Sxx

轴力

Y

Y

EPELxx

轴向弹性应变

Y

Y

EPTOxx

总应变

Y

Y

EPEQ

等效塑性应变

2

2

Cur.Yel.Flag

当前屈服标志

2

2

Plwk

塑性应变能密度

2

2

Creq

等效蠕变应变

2

2

Crkw_Creep

蠕变应变能密度

2

2

EPPLxx

轴向塑性应变

2

2

EPCRxx

轴向蠕变应变

2

2

EPTHxx

轴向热应变

3

3

1 仅通过*GET 在质心处获取
2 仅在使用非线性材料时有效
3 仅在单元温度与参考温度不同时有效

表2[2] 中列出了CABLE 280单元的输出项的输出项及相关编号,更详细的信息可以参照《ANSYS_Mechanical_APDL_Element_Reference》51页。

表2 中各选项的含义如下

十九、名称(NAME)

表1 中定义的输出项名称

二十、输出项(ITEM)

ETABLE 和 ESOL 中预先定义的输出项的名称

二十一、单元(E)

单元号

二十二、节点号(I , J)

节点号

输出项名称

ETABLE 和 ESOL 命令输入项

输出项

E

I

J

Sxx

LS

-

1

2

EPELxx

LEPEL

-

1

2

EPTOxx

LEPTO[1]

-

1

2

EPTHxx

LEPTH

-

1

2

EPPLxx

LEPPL

-

1

2

EPCRxx

LEPCR

-

1

2

TEMP

LBEF

-

1

2

FORCE

SMISC

1

1

3

AREA

SMISC

2

2

4

[1] 对 ESOL 无效

二十三、ABLE 280 单元的假设和限制

  • 单元长度必须大于0

  • 单元的截面积必须大于0

  • 假设温度在单元内线性变化

  • 非线性分析中需要使用迭代求解(NLGEOM,ON)

二十四、CABLE 280单元的使用限制

除前述的要求和限制外,在下列产品中使用CABLE 280 单元时有如下额外的限制:
1、ANSYS Mechanical Pro
  • 生死单元不可用

  • 初始状态不可用

2、ANSYS Mechanical Premium
  • 初始单元不可用

[1] 译稿中的图已经重新编号,图1为原文图7280
[2] 此处似有误,原文如此。
[3] 翻译稿中的表格已重新编号,表1 为原文表 7280..1
[4] 翻译稿中的表格已重新编号,表1 为原文表 7280..2
燕飞 ,仿真秀专栏作者
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首次发布时间:2020-01-21
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