Моделирование троса / кабеля в Simcenter Femap

1. Введение

В этой статье на простом примере рассматривается моделирование троса с использованием Femap with Simcenter Nastran (обратите внимание, что тросом считается элемент модели, который может воспринимать только растягивающую нагрузку).

Хотя не каждый шаг в создании и решении модели детализирован, целью было предоставить достаточную информацию, чтобы позволить пользователю повторить анализ. Обратите внимание, что эта статья была создана на основе работы, выполненной с использованием Femap v12, но она должна быть в равной степени подходящей и для других версий Femap. Также обратите внимание, что единицы СИ использовались повсюду.

2. Модель / Анализ

Примером модели является простая квадратная стальная рама (балки «I») размером 2 х 2 м с «крепежным» тросом, проходящим по диагонали между двумя противоположными углами. Каркас стальной конструкции был смоделирован с использованием восьми балочных элементов с каждой стороны, а трос смоделирован с использованием одного стержневого элемента. Стержневой элемент (CROD в NX Nastran) может выдерживать растягивающие, сжимающие и скручивающие нагрузки, но не изгибающие нагрузки.

Балочные элементы BEAM ссылаются на линейный материал, но стержневой элемент ROD относится к материалу, который включает в себя «нелинейно-упругую» кривую напряжения-деформации – она используется для придания стержневому элементу его жесткости только при растяжении. Модель закреплена в двух нижних углах и подвержена сдвиговым нагрузкам, которые деформируют раму от квадрата до параллелограмма. Были проанализированы два варианта нагрузки - один вызывает сжатие в стержне, другой - натяжение. Модель была решена с использованием решения NX Nastran SOL 106 (нелинейная статика) — это необходимо для учета нелинейных свойств материала.

Конечно-элементная модель (только элементы) показана на рисунке 1.

simcenter, femap, nastran
Рисунок 1 - Конечно-элементная модель (только элементы)

3. Свойства материала

Были определены два свойства материала - одно для стальных балок BEAM («Steel BEAM» - см. рисунки 2 и 3), а другое - для троса ROD («Steel ROD - нелинейные» - см. рисунки 4, 5 и 6).

Обратите внимание, что материал для стержневого элемента ROD был определен как «нелинейно-упругий» материал (Nonlinear Elastic), и что он ссылается на функцию Stress vs. Strain Function, которая определяет кривую деформирования. При растяжении наклон кривой деформирования равен модулю упругости троса (в этом случае он был установлен равным модулю упругости материала). При сжатии наклон кривой деформирования устанавливается значительно меньшим.

Обратите внимание, что если предполагается, что стержневой элемент ROD не несет нагрузки при сжатии, то теоретически наклон кривой деформирования при сжатии будет равен нулю. Однако использование нулевого значения может привести к численным проблемам при анализе

модели, поэтому вместо этого определяется небольшое значение, отличное от абсолютного нуля. После анализа можно проверить осевое усилие в любом элементе стержня ROD, представляющем трос, подвергаемый сжатию, чтобы увидеть, является ли данная величина значительной. Если это так, то может быть целесообразным уменьшить значение наклона кривой деформирования при сжатии.

simcenter, femap, nastran
Рисунок 2 - Свойства материала для стальных балок BEAM
simcenter, femap, nastran
Рисунок 3 - Свойство материала для стальных балок BEAM с Nonlinearity Typ: None
simcenter, femap, nastran
Рисунок 4 - Свойства материала для троса / кабеля ROD
Рисунок 5 - Свойство материала для троса / кабеля ROD с Nonlinearity Type: Nonlinear Elastic
simcenter, femap, nastran
Рисунок 6 - Кривая пластичности для нелинейного материала троса / кабеля ROD

4. Физические свойства

Балочные элементы BEAM, представляющие стальной каркас, были определены как «I» балки, имеющие высоту 0,1 м, ширину 0,04 м и толщину 0,004 м - см. рисунок 7.

Стержневой элемент ROD, используемый для моделирования троса, был определен диаметром 0,02 м - см. рисунок 8.

simcenter, femap, nastran
Рисунок 7 - Свойства поперечного сечения балочных элементов BEAM
simcenter, femap, nastran
Рисунок 8 - Свойства поперечного сечения элементов троса / кабеля ROD

Обратите внимание, что в диалоговом окне определения свойств элемента ROD (рисунок 8) нет возможности определить форму «поперечного сечения»

и, следовательно, данные свойств поперечного сечения должны быть определены напрямую. При желании требуемые данные о свойствах поперечного сечения можно получить, создав таблицу свойств балки BEAM для соответствующего сечения, а затем вручную скопировав значения в таблицу свойств для стержневого элемента ROD. Обратите внимание, что опция «Additional Options, кнопка «Cable» в диалоговом окне задания свойств стержневого элемента ROD (рисунок 8) следует игнорировать - эта опция не применяется, когда решателем является NX Nastran.

5. Закрепления

Модель была ограничена во всех степенях свободы, кроме вращения вокруг оси Z в двух узлах на нижнем краю рамы - см. рисунки 9 и 10.

simcenter, femap, nastran
Рисунок 9 - Диалоговое окно ограничений модели Editing Constrain Definition
simcenter, femap, nastran
Рисунок 10 - Закрепление модели

6. Нагрузки

Нагрузка была приложена как узловая сила к одному из узлов в верхней части рамы. Фактически были определены два варианта нагрузки: Случай 1: 1000N в положительном глобальном направлении оси X - см. рисунок 11.

simcenter, femap, nastran
Рисунок 11 - Нагрузка в виде узловой силы к верхней части рамы в положительном направлении оси X

Случай 2: 1000N в отрицательном глобальном направлении оси X - см. рисунок 12.

simcenter, femap, nastran
Рисунок 12 - Нагрузка в виде узловой силы к верхней части рамы в отрицательном направлении оси X

Результаты этих двух вариантов нагружения позволяют оценить работу троса на сжатие и растяжение.

7. Настройка анализа

Модель была решена для обоих вариантов нагружения одновременно как нелинейный статический анализ NX Nastran SOL 106. Этот тип решения необходим для обеспечения учета нелинейных свойств материала, используемых для моделирования поведения троса. На рисунке 13 показан менеджер настроек анализа.

simcenter, femap, nastran
Рисунок 13 - Менеджер настроек нелинейного анализа Analysis Set Manager

8. Результаты

Результаты анализа показывают, что поведение конструкции сильно различается для двух вариантов нагружения. Для «Случая 1» сила была приложена в положительном глобальном направлении оси X, тем самым подвергая стержневой элемент ROD сжимающей нагрузке. Результаты показывают пиковое смещение для рамы 3,26e-3 м и осевую силу в стержневом элементе -5,356e-5N (т. е. "Ноль") - см. рисунок 14.

simcenter, femap, nastran, трос, кабель
Рисунок 14 - Результаты анализа, когда сила была приложена в положительном глобальном направлении оси X

Для «Cлучая 2» сила была приложена в отрицательном глобальном направлении оси X, тем самым подвергая стержневой элемент растягивающей нагрузке. Для этого варианта нагружения результаты показывают меньшее пиковое смещение для рамы 1,10e-3 м и осевую силу в стержневом элементе 1372,1 N - см. рисунок 15.

моделирование троса в simcenter femap
Рисунок 15 - Результаты анализа, когда сила была приложена в отрицательном глобальном направлении оси X

Следовательно, ясно, что стержень ROD действует желаемым образом, то есть переносит нагрузку только при воздействии натяжения, тем самым имитируя характеристики троса.

По вопросам приобретения, бесплатного тестирования и любым другим вопросам, пожалуйста, обращайтесь:
📨  info@cad-is.ru 📞 7 (495) 175-571-4 или через форму обратной связи: https://www.cad-is.ru/forms/price

Дополнительные статьи по теме