基于子模型法的电缆盘有限元分析

公   司：江苏中天科技股份有限公司

作   者：高文杰   薛艺   缪志山  翟以军

摘   要：电缆盘是一种电线电缆的常用包装，一般而言，电缆盘的具有相对固定的规格与装盘量，但受限于工程实际情况，往往需要对电缆盘进行定制设计。在进行大型电缆盘有限元分析时，由于电缆盘整体尺寸较大，使得产生的网格单元非常庞大，这将会极大地占用计算机资源。本文应用子模型法对电缆盘进行有限元分析，证明了子模型法在电缆盘计算分析的可行性，大大提高了计算效率，对今后电缆盘的设计分析有一定的参考意义。

关键词：电缆盘；子模型；有限元分析

一、引言

电缆盘是一种电线电缆的常用包装，起着运输和保护电缆的作用。目前，针对电缆盘的有限元分析多是采用整体分析方法，如周陈全等人对瓦楞盘整体进行了静力分析[1]，王庆文等人对电缆盘整体进行了多工况的静力分析和模态分析[2]，由于电缆盘整体尺寸较大，为了保证网格质量，提高计算精度，需要对网格进行细化处理，会使得模型整体的单元数量十分巨大，在后续求解过程中会极大的占用计算机资源。

子模型法是基于圣维南原理[3]的一种有限元分析方法，也叫切割边界位移法。基于该方法可以通过建立子模型代替对电缆盘整体的有限元分析，由于模型整体规模变小，模型整体网格数量大大降低，此时通过细化网格得到质量更好、精度更高的网格，提高求解精度与效率。如图1所示，子模型法可以分为以下6个步骤进行[4]。

图1  子模型法分析流程图

二、电缆盘有限元分析

1、工况分析

盘具外径3200mm，筒径2000mm，内宽2400mm，中心轴孔尺寸为160mm，电缆总重量为25吨，以盘具绕载完成后，静置于地面为工况进行分析。

2、建立有限元模型

首先建立电缆盘的三维模型，在电缆盘底部建立起一块薄板以模拟地面，随后将模型导入到ANSYS中，电缆盘整体由Q235B材质焊接而成，其材料属性如表1所示。

表1  Q235材料属性

电缆盘整体为焊接成型，接触方式保持默认绑定即可，地面与电缆盘接触设置为不分离接触，网格单元采用自动网格划分，对外框部件、盘片部件进行网格细化，将单元大小设置为10mm，网格划分完成后，有限元模型如图2所示，共计486065个单元。

图2  有限元模型

3、施加载荷

电缆盘静载于地面，假设相对地面不产生位移，因而直接对模拟地面的薄板上施加固定约束即可。电缆盘静载时，整体绕线为25吨，取安全系数1.5，对筒体直接施加375000N载荷；电缆盘边界条件及载荷如图3所示。

图3  施加载荷

4、整体模型分析结果

求解完成后，模型最大应力位于外框部件与地面接触处，为了便于后续子模型建立，现对电缆盘模型进行分割处理，将电缆盘模型划分为上下两个部分，得到电缆盘下半部分局部的应力云图如图4所示，其最大应力值为127.72Mpa。

图4  局部应力云图

三、子模型有限元分析

1、建立子模型

从上述分析结果来看，以电缆盘下半部分建立起子模型，此处需保证子模型与整体模型所在空间坐标相对位置保持一致[5]，便于后续提取边界载荷，随后将子模型导入到ANSYS中，边界条件、网格设置保持不变，得到有限元模型如图5所示，共计33480个单元，单元总数大大降低。

图5  子模型有限元模型

2、切割边界插值

通过ANSYS可以直接将电缆盘整体分析的计算结果作为边界条件施加在子模型上，同样的，此处仍然需要定义对地面的固定约束，子模型的边界条件如图6所示。

图6  子模型边界条件

求解完成后，如图7所示最大应力位于外框部件与地面接触处，最大应力值为139.03Mpa，较整体模型的最大应力值略有增加。

图7  子模型应力云图

3、切割边界验证

切割边界的选择直接影响子模型计算结果的准确度，因此需要对子模型的切割边界进行验证，以切割边界为路径，分别提取整体模型与子模型上的应力分布情况，应力情况如图8、图9所示。

图8  整体模型切割边界应力分布

图9  子模型切割边界应力分布

分别查看整体模型与子模型路径上的应力分布情况，整理相关数据，最终得到图10所示的切割边界应力对比图。从图上可以发现，子模型和整体模型在切割边界的符合情况较好，其中最大误差为5.07%，平均差值为1.05%，这表明切割边界的选取是合适的。

图10  切割边界应力对比

4、子模型优化

在验证完切割边界后，可以对网格进行加密处理，以获得更为准确的分析结果，也可以再次基础上对结构进行调整，进行优化分析，此处不再赘述。

五、结论

通过建立电缆盘子模型使整体单元数量大大降低，进而提高了计算机的运算求解速度，避免了计算机资源的占用，对于大型电缆盘的设计分析，完全可以采用子模型法进行有限元分析，在保证计算精度的同时，可以提高求解效率、缩短产品开发周期。

参考文献：

[1] 周陈全，俞翼，沈聃，等．基于Ansys Workbench的瓦楞式电缆盘具结构分析及优化[J]．制造业自动化，2013，35(11)：75-78

[2] 王庆文，缪志山，薛宏，等．基于Ansys Workbench的大承载全钢盘的设计和有限元分析[J]．电线电缆，2021，(01)：43-46

[3] 王敏中．圣维南原理发展简介[J]．力学与实践，1980，（4）：72-73

[4] 刘本学，栗良玉，蔺超云，等．基于子模型法对TBM刀盘的结构强度分析[J]．机械设计与制造，2019，（1）：190-193

郭磊磊，包家汉，王勇．基于子模型法的大型薄壁结构有限元分析[J]．机械设计与研究，2013，29（4）：57-60