ANSYS APDL | 编织网复合材料仿真 | 梁-梁接触

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前言

编织，在广义上是指将线状或条状的材料，经过重复交叠过程，形成一个平面或立体的技术，透过编织制作出来的作品，称作编织物或编织品。在实际工程材料中，有很多类似的编织材料，典型的有碳纤维材料。

三维编织复合材料因其整体复杂的空间纤维结构，显著地提高了材料的比强度和比刚度，从根本上克服了传统层合复合材料层间强度低、易分层等致命弱点，还使其具有优良的力学性能，如：良好的抗冲击损伤性能、耐疲劳性能和耐烧蚀性能等，以及结构整体性好、可设计性强等诸多优点，受到工程界的普遍关注，成为航空、航天、能源、重大战略装备、轨道交通、汽车轻量化、碳/碳复材、城市基建、生物医疗、体育用品等领域的重要结构材料。

编织梁框架仿真问题描述

如下图所示，梁单元—梁单元编织网材料为对象，进一步模拟小球掉落在这样的网状材料上的瞬态问题。

其中关键问题在于如何形成梁单元与梁单元重复交叠的模型。这里就体现有限元方法中对物理世界的模型化的能力，在真实世界中，这种重复交叠，我们很容易就能勾织出，但是在有限元中，怎么处理呢。

本文的一个思路就是先构造如下图原位梁框架，此时，梁单元间无任何联系，仅仅是穿模的一个状态，然后，需要对所有的梁单元上建立接触属性，且接触单元被赋予单元生死的属性，进一步，在接触单元抑制的状态下，对每个需要交错的位置施加载荷，之后，激活接触属性，此时，原位梁框架由于接触属性，就不会出现穿模的现象，而是我们需要的上下交错的一个状态。最后，进行小球落下的分析。

采用的单元包括Beam188, 接触属性材料TARGET170和CONTA176单元接触对，CONTA176为线-线接触，相关命令流及Keyopt如下

et,1,188et,2,188et,3,170et,4,176keyopt,4,3,1et,5,170et,6,176keyopt,6,3,1r,1r,2r,3,DIM_BEAM_RADIUS,DIM_BEAM_RADIUSr,5,DIM_SPHERE_RADIUS,DIM_BEAM_RADIUS

材料本构选择双线性各向同性强化模型，具体材料设置如下：

mp,ex  ,1,10e6mp,nuxy,1,0.3tb,biso,1,1tbdata,1,50e3,10e4mp,ex  ,2,10e6mp,nuxy,2,0.3tb,biso,2,1tbdata,1,50e3,10e4tb,fric,3,1,,isotbdata,1,0.1tb,fric,5,1,,isotbdata,1,0.4sectype,1,beam,ctubesecdata,DIM_BEAM_RINNER,DIM_BEAM_RADIUSsectype,2,beam,ctubesecdata,DIM_BEAM_RINNER,DIM_BEAM_RADIUS

载荷施加：如下图，需要在每个连接点施加一个向上一个向下的载荷力，这里类似于真实编织过程中一个向上提，一个穿过去的过程。

具体通过Do循环施加，如下命令流：

*do,ICOUNT,1,NUM_BEAM_LINES  *do,JCOUNT,1,NUM_BEAM_LINES    *if,mod(ICOUNT+JCOUNT,2),eq,0,then      FRC_BEAM_TEMP=FRC_BEAM_OFFSET    *else      FRC_BEAM_TEMP=-FRC_BEAM_OFFSET    *endif    esel,s,type,,1    nsle    f,node(DIM_BEAM_SPACING/2+(ICOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING,0,DIM_BEAM_SPACING/2+(JCOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING),fy,FRC_BEAM_TEMP    esel,s,type,,2    nsle    f,node(DIM_BEAM_SPACING/2+(ICOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING,0,DIM_BEAM_SPACING/2+(JCOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING),fy,-FRC_BEAM_TEMP  *enddo*enddo

载荷步设置
1：抑制接触单元属性，施加上述各位置载荷力
2：激活接触单元，求解

3：激活小球，给小球施加向下位移载荷

最终状态位移变形云图，这个时候就可以看出梁与梁之间的编织属性了

完整命令流

finish/clearDIM_BEAM_RADIUS   = 2DIM_BEAM_RINNER   = 1.5DIM_BEAM_LENGTH   = 120DIM_BEAM_SPACING  = 20DIM_SPHERE_RADIUS = 30NUM_BEAM_LINES  = DIM_BEAM_LENGTH/DIM_BEAM_SPACINGFRC_BEAM_OFFSET = 1e5/view,1,1,2,3/auto/pnum,type,1/num,1/eshape,1/prep7et,1,188et,2,188et,3,170et,4,176keyopt,4,3,1et,5,170et,6,176keyopt,6,3,1r,1r,2r,3,DIM_BEAM_RADIUS,DIM_BEAM_RADIUSr,5,DIM_SPHERE_RADIUS,DIM_BEAM_RADIUSmp,ex  ,1,10e6mp,nuxy,1,0.3tb,biso,1,1tbdata,1,50e3,10e4mp,ex  ,2,10e6mp,nuxy,2,0.3tb,biso,2,1tbdata,1,50e3,10e4tb,fric,3,1,,isotbdata,1,0.1tb,fric,5,1,,isotbdata,1,0.4sectype,1,beam,ctubesecdata,DIM_BEAM_RINNER,DIM_BEAM_RADIUSsectype,2,beam,ctubesecdata,DIM_BEAM_RINNER,DIM_BEAM_RADIUSk,1,0,,DIM_BEAM_SPACING/2k,2,DIM_BEAM_LENGTH,,DIM_BEAM_SPACING/2l,1,2latt,1,1,1,,,,1esize,5lmesh,all*get,NUM_NODE_MAX,node,,num,maxdegen,NUM_BEAM_LINES,NUM_NODE_MAX,all,,,0,0,0,0,0,0,0,DIM_BEAM_SPACINGnumcmp,nodelsel,noneallsel,below,linek,3,DIM_BEAM_SPACING/2,,0k,4,DIM_BEAM_SPACING/2,,DIM_BEAM_LENGTHl,3,4latt,2,2,2,,,,2lmesh,all*get,NUM_NODE_MAX,node,,num,maxdegen,NUM_BEAM_LINES,NUM_NODE_MAX,all,,,0,0,0,0,0,DIM_BEAM_SPACING,0,0numcmp,nodeesel,s,type,,1nsletype,3$real,3$mat,3$tsha,lineesurfesel,s,type,,2nsletype,4$real,3$mat,3esurfesel,s,type,,1,2nsletype,6$real,5$mat,5esurfesel,s,type,,1nsleeslnesel,r,type,,6ensym,0,,0,allnsel,nonen,,DIM_BEAM_LENGTH/2,DIM_SPHERE_RADIUS+2*DIM_BEAM_RADIUS,DIM_BEAM_LENGTH/2type,5$real,5$mat,5$tsha,spheNUM_NODE_PILOT=ndnext(0)e,NUM_NODE_PILOTtsha,piloe,NUM_NODE_PILOTd,NUM_NODE_PILOT,allnsel,s,loc,x,0nsel,a,loc,x,DIM_BEAM_LENGTHnsel,a,loc,z,0nsel,a,loc,z,DIM_BEAM_LENGTHd,all,uxd,all,uyd,all,uz*do,ICOUNT,1,NUM_BEAM_LINES  *do,JCOUNT,1,NUM_BEAM_LINES    *if,mod(ICOUNT+JCOUNT,2),eq,0,then      FRC_BEAM_TEMP=FRC_BEAM_OFFSET    *else      FRC_BEAM_TEMP=-FRC_BEAM_OFFSET    *endif    esel,s,type,,1    nsle    f,node(DIM_BEAM_SPACING/2+(ICOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING,0,DIM_BEAM_SPACING/2+(JCOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING),fy,FRC_BEAM_TEMP    esel,s,type,,2    nsle    f,node(DIM_BEAM_SPACING/2+(ICOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING,0,DIM_BEAM_SPACING/2+(JCOUNT-1)*DIM_BEAM_SPACING),fy,-FRC_BEAM_TEMP  *enddo*enddoallsel,allfinish/solunlgeom,onrescon,define,none   !无多重启动文件outres,all,allnsubst,10esel,s,type,,3,6ekill,allallsel,all/title,Apply forces to form net pattern (no contact active)solveesel,s,type,,3,4ealive,allallsel,all/title,Finish net pattern by activating contact (resolve interference)nsubst,10solveesel,s,type,,5,6ealive,alld,NUM_NODE_PILOT,uy,-5*DIM_BEAM_RADIUSallsel,all/title,Push down with rigid sphere on netNSUBS,10solvefinish/eof/post1set,lastplnsol,u,sum

本部分结束，感谢阅读。

来源：芷行说

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首次发布时间：2023-12-02