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。

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
输出项名称	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

作者：燕飞，仿真秀专栏作者

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首次发布时间：2020-01-21