Особенности моделирования тросов

Аватар пользователя Ruslan Abdrahimov
0 613

Тросы, канаты, кабели и другие протяженные гибкие изделия являются неотъемлемой частью множества конструкций, таких как: подъемники, мосты, лебедки, морские сооружения, линии электропередач, растяжки для антенн и т.д. Основу конструкции таких изделий чаще всего составляет множество стальных или синтетических нитей, переплетенных вокруг общего сердечника, что делает их прочными на растяжение и гибкими при изгибе. Соответственно для моделирования работы таких конструкций необходимы специальные элементы. В ANSYS, до недавнего времени, для моделирования тросов использовался только элемент LINK180, но, начиная с релиза 2019 R1 появился дополнительный элемент CABLE280. Оба элемента обладают только тремя степенями свободы на каждом узле, пренебрегая поворотными, тем самым не учитывая жёсткость при изгибе.

Для моделирования работы троса в ANSYS необходимо заменить используемый по умолчанию элемент BEAM для линейных тел на LINK/TRUSS, что дополнительно открывает управление вариантами поведения: растяжение/сжатие, только сжатие или только растяжение. Последняя опция как раз используется для моделирования тросов и также требует учета больших перемещений. Если тело линии не будет заменено на такой элемент, оно будет по-прежнему иметь 6 степеней свободы и, следовательно, жесткость на изгиб.

CABLE280 отличается от LINK 180 тем, что поддерживает работу только на растяжение, и является 4-узловым элементом (четвёртый используется только для задания трансверсальной нагрузки), обеспечивая отличную сходимость и точное решение с грубой сеткой (даже на одном элементе), за счет аппроксимации по квадратичной функции. Возможность использования элемента CABLE280 на данный момент не включена в функционал интерфейса ANSYS Mechanical, и соответственно он доступен только через команды APDL.

Кроме того, для элемента CABLE280 добавлено еще два параметра, призванных улучшить сходимость. Первый - дополнительная жесткость при сжатии, определяемая коэффициентом масштабирования по отношению к жесткости на растяжение (SECCONTROL ,,,,, CV3), значение по умолчанию = 1.0e-5. Второй - вязкостная регуляризация. CABLE280 использует вязкую регуляризацию для преодоления трудностей сходимости, которые могут возникнуть, когда элемент переключается с растяжения на сжатие (или наоборот), задается через SECCONTROL ,,,,,, CV4.

Эти элементы могут применятся для оценки прочности троса от веса подвешенного груза или предварительного натяжения, но также часто встречаются задачи с температурным нагружением и контактным взаимодействием. Для решения этих задач элементы CABLE280 и LINK180 поддерживают все необходимые функции:

  • Начальное состояния (Initial state) для задания натяжения;
  • Контактное взаимодействие с трением или без, с твердотельными элементами, оболочками и балочными телами;
  • Большие перемещения;
  • Температурные нагрузки.

Задание начального натяжения обязательно при выполнении статического анализа, для обеспечения адекватной поперечной жесткости. Решение может стать нестабильным, если элементы недостаточно нагружены или находятся в состоянии сжатия.

Пример использования троса для руки манипулятора

 

Ключевые моменты моделирования контактного взаимодействия 

Контактное взаимодействие с участием тросов (и любых других линейных тел) использует элемент CONTA177 и может моделировать четыре различных сценария:

  • Контакт между линейным телом (или ребром) и поверхностью твердого тела или оболочкой;
  • Внутренний контакт, когда линейное тело (или труба) скользит внутри другого полого линейного тела (или трубы);
  • Внешний контакт между двумя линейными телами (или ребрами), которые располагаются рядом друг с другом и примерно параллельны;
  • Внешний или внутренний контакт между двумя линейными пересекающимися телами (или ребрами).

Для контакта с участием линейного тела используется предположение о постоянном круговом поперечном сечении. Радиус контакта предполагается одинаковым для всех элементов CONTA177 в контактной паре. Аналогично, предполагается, что целевой радиус будет одинаковым для всех элементов TARGE170 в контактной паре.Целевой и контактный радиусы задаются через константы R1 и R2 соответственно. Для общего сечения балки вы можете использовать эквивалентную круглую балку в определении контакта (см. рисунок ниже). Используйте эти рекомендации для определения эквивалентного круглого сечения:

  • Определите наименьшее поперечное сечение по оси балки.
  • Определите самый большой круг, встроенный в это поперечное сечение.

   

Используйте первую константу, R1, чтобы задать радиус на целевой стороне (целевой радиус rt). Используйте вторую постоянную R2, чтобы задать радиус на контактной стороне (радиус контакта rc).

Чтобы смоделировать внешний контакт между внешними поверхностями двух цилиндрических балок, установите KEYOPT (9) = 0 (по умолчанию) для целевых элементов TARGE170 в паре контактов. Чтобы смоделировать внутренний контакт (балка или труба, скользящая в другой балке или трубе), установите KEYOPT (9) = 1 для элементов TARGE170 и введите R1 в качестве внутреннего радиуса внешней балки.

Если радиус контакта и/или целевой радиус не определены, ANSYS автоматически рассчитывает эквивалентный радиус для каждого отдельного элемента контакта/цели на основе соответствующей геометрии нижележащих элементов. В этом случае эквивалентный радиус может варьироваться в пределах контактной пары или в пределах общей контактной поверхности. В случае жесткой цели, определенной с элементами TARGE170, программа не может рассчитать эквивалентный радиус, потому что нет базовых элементов. Следовательно, вы должны явно ввести целевой радиус для всех жестких целевых элементов.

В целом, контактное взаимодействие линейных тел требует правильной настройки, в том числе указания варианта поведения через опции контакта KEYOPT, описание которых приведено ниже.

KEYOPT(3)

Для CONTA177 KEYOPT (3) определяет тип трехмерного контакта следующим образом:

  • KEYOPT (3) = 0 или 1 для моделирования контакта между параллельными линейными телами;
  • KEYOPT (3) = 3 или 4 для моделирования контакта между пересекающимися линейными телами;
  • KEYOPT (3) = 2 для моделирования контакта между параллельными и/или пересекающимися линейными телами.

KEYOPT (3) также позволяет выбирать между моделью на основе контактной силы (KEYOPT (3) = 0 или 4) и моделью на основе контактного сцепления (KEYOPT (3) = 1, 2 или 3).

KEYOPT(4)

Вы можете использовать CONTA177 с соединением типа MPC (KEYOPT (2) = 2) для определения поверхностных ограничений. Параметр KEYOPT (4) будет определять тип поверхностного ограничения (жесткая поверхность, распределенные силы или совместное поведение).

KEYOPT (14)

KEYOPT (14) позволяет каждой точке обнаружения контакта взаимодействовать с несколькими целевыми сегментами одновременно:

  • KEYOPT (14) = 0: каждая точка контакта может взаимодействовать только с одним целевым сегментом;
  • KEYOPT (14) = 1: каждая точка контакта может взаимодействовать с четырьмя целевыми сегментами;
  • KEYOPT (14) = 2: каждая точка контакта может взаимодействовать с восемью целевыми сегментами.

Максимальное количество контактных взаимодействий, разрешенное в каждой точке обнаружения контакта, определяется настройками KEYOPT (14) и KEYOPT (3).

В примерах ниже показаны различные комбинации KEYOPT (14) и KEYOPT (3).

 

Более подробная информация содержится в документации ANSYS: LINK180, CABLE280, Beam-to-Beam Contact.

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии