案例51-用梁-梁接触建模的管内多丝线圈

这个示例问题演示了三种方法来模拟管内的多线线圈。每个模型使用不同的接触场景：面-面、梁-面或梁-梁。比较表明，使用梁-梁接触的梁模型在简化建模和减少计算时间方面具有最佳优势。

重点介绍了以下特性和功能：

• 通过CONTA177单元建模的梁-梁和梁-面接触

• 横梁之间的内部接触

介绍和问题描述

多线线圈和多股电缆主要用于医疗设备和汽车行业。一个例子是植入式导线，它可能是心脏除颤器等医疗设备的一部分。

通常进行弯曲分析以模拟电缆和线束，以模拟线圈线或电缆股水平的实际物理行为。使用实体单元分析这些类型的结构在计算上可能很昂贵。另一方面，具有梁-梁接触的梁模型提供简化建模的快速准确的解。

对可植入导线模型进行弯曲分析。该结构由聚合物管壳内的五线金属线圈组成。管长3.45 mm，外径0.43 mm，内径0.36 mm。线圈导线的半径为0.05 mm，导线之间的初始间隙为0.0125 mm。

在每个模型中定义了两个接触对：一个用于线圈的线-线接触的自接触对，以及线圈和管之间的一个接触对。要应用弯曲边界条件，管和线圈的一端固定，另一端绕Y轴旋转1.2弧度。

创建了三种不同的模型：

1. 实心管和实心线圈

2. 实心管和梁线圈

3. 束管和束线圈

使用的具体单元类型和接触模型如下：

三种类型的网格如下：

建模

建模五丝线圈

线圈的半径为0.3mm，导线的半径为0.05mm，导线之间的初始间隙为0.0125mm。

情况1：创建了五层实心螺旋线圈，并用SOLID186单元划分网格；见下图（a）。

情况2和情况3：创建螺旋线圈的线模型，并用BEAM189单元划分网格；见下图（b）。

建模管

管长3.45mm，外径0.43mm，内径0.36mm。

情况1和情况2：创建管的全三维模型，并用SOLID186单元进行网格划分；见下图（a）。

情况3：创建管道的线模型，并用PIPE289单元进行网格划分；见下图（b）。

建模接触对

线圈和管之间的接触

线圈和内管表面之间的接触在三种情况下建模不同，如下所述。

情况1：使用面-面接触。多线线圈的外表面用CONTA174接触单元划分网格，管的内表面用TARGE170目标单元划分网格；见下图（a）。

情况2：使用线-面接触。多线线圈用CONTA177接触单元划分网格，管的内表面与TARGE170目标单元划分网格；见下图（b）。

情况3：使用线-线（梁-梁）接触。多线线圈用CONTA177接触元件单元划分网格，管用TARGE170目标单元划分网格；见下图（c）。

使用以下非默认接触设置。

• CONTA177单元（情况2和情况3）：

–KEYOPT（3）=2，包括所有接触场景，包括内部交叉梁-梁接触以及束面接触。

–KEYOPT（14）=2，以定义与每个接触检测点交互的多个目标段。

• TARGE170单元（情况3）：

–KEYOPT（9）=1，用于定义内部梁间接触

线圈薄膜之间的自接触

对于三种情况，丝线表面之间的自接触建模不同，如下所述。

情况1：线圈丝线之间的自接触被建模为面对面接触。多线线圈的外表面用CONTA174接触单元和TARGE170目标单元两者划分网格；见下图（a）。

情况2和情况3：线圈线之间的自接触被建模为平行线对线接触。

多线线圈用CONTA177接触单元和TARGE170目标单元两者划分网格；见下图（b）。

使用以下非默认接触设置。

• CONTA177单元（情况2和情况3）：

–KEYOPT（3）=1，用于定义平行梁-梁接触。

–KEYOPT（14）=2，以定义与每个接触检测点交互的多个目标段。

材料属性

为金属线圈定义了线性弹性材料行为，并使用Neo-Hookean模型对聚合物管进行建模。

边界条件和加载

为了应用边界条件，在管和线圈的两端定义了基于MPC的刚性约束。引导点被限定在每个端部，并且被连接到在管的端部表面和线圈的端部节点处产生的CONTA175单元。

一端的引导节点在所有方向上都是固定的；另一端的引导节点绕Y轴旋转1.2弧度。

分析和求解控制

对每个模型进行非线性弯曲分析。启用大偏转效果（NLGEOM，on）。

结果和讨论

对所有三种方法的比较研究将显示梁-梁模拟的有效性（情况3）

位移

绘制了三个模型的位移矢量和（USUM）。这三个值都相似。

Von Mises应力

绘制了三个模型的Von Mises应力（SEQV）。图中显示，在所有三个模型中，最大应力发生在相似的位置，总体应力模式相似。

计算时间

下表比较了三种情况的模拟时间和累积迭代：

上述数据表明，与实体模型相比，梁-梁模拟（情况3）的计算成本更低。

结论

对这些模型的Von Mises应力和计算时间的比较表明，通过使用简化的梁模型和梁-梁接触，可以获得类似的结果和减少的计算时间。

建议

以下几点对于梁-梁接触建模很重要。

• 使用管道单元（PIPE289）将聚合物管道结构建模为线体。目前，没有一个弹性材料模型可以用梁单元（BEAM188、BEAM189）建模。

• 当涉及内部梁接触时，为接触单元设置KEYOPT（3）=2，以捕捉任何内部交叉和平行梁-梁接触。在该示例中，交叉接触类型在线圈和管之间占主导地位；平行接触类型可能在New-Raphson迭代期间发生。

• 为接触单元设置KEYOPT（14）=2，以允许每个接触检测点同时与多个目标段交互。