繩索，俗稱繩子，是通過扭或編等方式加強(qiáng)后，連成一定長(zhǎng)度的纖維。其拉伸強(qiáng)度很好但沒有壓縮強(qiáng)度，可用來做連接、牽引的工具。繩索的用途數(shù)不勝數(shù)：從建筑中的材料固定、到巖土工程中的柔性錨索、汽車門窗的升降拉索、電纜導(dǎo)線等等。如何在仿真中高效準(zhǔn)確地模擬繩索，對(duì)很多行業(yè)都有著實(shí)際的意義。

下面就以筆者在工作中遇到的一個(gè)繩索仿真問題為例，說明在ANSYS Mechanical中新的繩索技術(shù)。

以往ANSYS缺乏專門的繩索單元，通常會(huì)以Link180單元模擬桿件，設(shè)定關(guān)鍵字選項(xiàng)KEYOPT來模擬受拉/拉壓/受壓等不同特征。特殊情況下，也有工程師以Beam188單元模擬線纜。版本更新之后正式加入了新的繩索單元cable280,可以分析上述斜拉絕緣子、線纜等結(jié)構(gòu)。

CABLE280適用于分析中等至極細(xì)的纜索結(jié)構(gòu)（如海底纜索）。該單元是三維空間中的二次三結(jié)點(diǎn)線單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：x、y和z方向上的平移。相比于傳統(tǒng)的線單元link180、beam188，cable280收斂性更好，也更貼近實(shí)際。

首先選擇一根斜拉絕緣子做測(cè)試，測(cè)試模型由一根線體和兩端面體構(gòu)成，幾何模型共享節(jié)點(diǎn)。斜拉絕緣子材料如下表所示。固定約束面體兩端，施加重力加速度，并打開大變形（下同）。

ANSYS2020R1之后的版本，在線體下方的model type即可選擇cable(默認(rèn)為beam)，如下圖所示。

即便選擇cable類型，軟件自動(dòng)指定為只受拉不受壓的LINK180桿單元，而非Cable280單元。想必很多同學(xué)在這里會(huì)很疑惑，不妨可以選用下面的方法來使用cable單元。即在線體下方插入command snippet：

然后就可以回到最初的閥塔裝配體模型，在該復(fù)雜裝配體中采用cable單元與link單元進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

經(jīng)驗(yàn)告訴我們，對(duì)于只受拉不受壓的柔索結(jié)構(gòu)，施加預(yù)應(yīng)變有助于收斂，甚至可以說是收斂的先決條件。在此，我們建議采用cable單元時(shí)施加預(yù)應(yīng)變。在/solu中施加預(yù)應(yīng)變或預(yù)應(yīng)力inistate命令如下:

在實(shí)際工作中常常會(huì)遇到下面的情況，大型裝配體中多個(gè)重復(fù)部件，使問題變得復(fù)雜。

其實(shí)，ACT的腳本很多時(shí)候可以很方便地幫助用戶處理重復(fù)性的工作，有興趣的讀者可以回復(fù)，查看這里的腳本命令。但此處，我們對(duì)比計(jì)算后，推薦下面的方式。

顯然，采用Cable280單元只需要19個(gè)迭代步即可收斂，而Link180單元?jiǎng)t需要33個(gè)迭代步。

在2020年7月份，ANSYS2020R2版本發(fā)布，進(jìn)一步提升了cable單元的易用性。在ANSYS2020R2之后的版本，需要在Workbench Options中打開beta選項(xiàng)，并在Mechanical的Betafeature selection勾上“Use Cable higher order element”框。如下所示。

此處也可以理解，“UseCable higher order element”的同時(shí)還需要用戶在Mechanical中強(qiáng)制定義cable幾何為高階單元（即二次單元），否則軟件依然會(huì)自動(dòng)賦予Link180單元。此處可以用mesh method automatic單獨(dú)指定線體的二階單元，也可以設(shè)定全局為二階單元，推薦前者。最后，將Model Type設(shè)定為Cable。注意：選用Cable單元需要打開幾何大變形，否則求解會(huì)報(bào)錯(cuò)。

Model Type下面就無需定義beam也無需command snippet，就自動(dòng)賦予了cable單元，還是很方便的。

總結(jié)：

在斜拉繩索的模擬中，繩索單元Cable280收斂性能普遍優(yōu)于只受拉不受壓的Link180單元。

當(dāng)復(fù)雜裝配體包含多條只受拉不受壓的繩索/拉桿時(shí)，考慮采用多個(gè)載荷步，并在第1個(gè)載荷步施加極小的預(yù)緊長(zhǎng)度值，可以大大提升收斂性能，無論是采用Cable280單元還是Link180單元。

當(dāng)在Mechanical中使用Cable單元時(shí)，可以將線體設(shè)定為Beam類型（節(jié)點(diǎn)數(shù)和cable單元一致）并用command更改單元類型為Cable。