ANSYS與LS-DYNA聯(lián)合解決薄壁鋼管在軸向沖擊下的屈曲

2013-06-07  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文以薄壁鋼管在軸向沖擊作用下的屈曲分析為例,介紹在ANSYS/LS-DYNA中進(jìn)行沖擊動力學(xué)分析的方法。ANSYS/LS-DYNA將顯式計(jì)算程序LS-DYNA 與ANSYS仿真分析環(huán)境有機(jī)的結(jié)合在一起,可以完成高度非線性的瞬態(tài)動力過程的分析。兩者的結(jié)合既克服了ANSYS在瞬態(tài)動力過程分析方面的弱點(diǎn),同時也克服了LS-DYNA在建模方面的不方便性,兩者的合并,無疑克服了各自的缺點(diǎn),同時將兩者的優(yōu)點(diǎn)保留了下來。

作者: 倪欣    來源: e-works
關(guān)鍵字: ansys ls-dyna 薄壁鋼管 屈曲 

1 前言
沖擊作用是在建筑樁基施工、金屬加工和動力機(jī)械設(shè)計(jì)等問題中常見的現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的材料強(qiáng)度以及動力響應(yīng)問題(主要是變形和屈曲問題)一直是一項(xiàng)很重要的動力學(xué)研究課題。各種沖擊動力學(xué)問題的最基本特征為沖擊物的速度或位移在與結(jié)構(gòu)接觸后的一個極短時間內(nèi)迅速地改變,沖擊作用的(加載)過程非常短暫。
本文以薄壁鋼管在軸向沖擊作用下的屈曲分析為例,介紹在ANSYS/LS-DYNA中進(jìn)行沖擊動力學(xué)分析的方法。ANSYS/LS-DYNA將顯式計(jì)算程序LS-DYNA 與ANSYS仿真分析環(huán)境有機(jī)的結(jié)合在一起,可以完成高度非線性的瞬態(tài)動力過程的分析。兩者的結(jié)合既克服了ANSYS在瞬態(tài)動力過程分析方面的弱點(diǎn),同時也克服了LS-DYNA在建模方面的不方便性,兩者的合并,無疑克服了各自的缺點(diǎn),同時將兩者的優(yōu)點(diǎn)保留了下來。
2 模型建立與數(shù)值討論
實(shí)際生活中經(jīng)常使用薄壁鋼管支撐重物用,但是經(jīng)常會發(fā)生這樣的問題:但重物的重量慢慢增加時,薄壁鋼管突然會發(fā)生彎曲。這就是所謂的屈曲。一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生了屈曲,結(jié)構(gòu)已經(jīng)喪失了穩(wěn)定性,輕則不能承載重物,重則會危機(jī)生命。用理論可以分析簡單的結(jié)構(gòu)屈曲,但是實(shí)際生活中的結(jié)構(gòu)太復(fù)雜,以至于不能簡單的運(yùn)用理論進(jìn)行分析了,必須借助CAE軟件了,因此本文有很大的實(shí)用價值。
要分析的問題描述如下:圓鋼管直徑為D=500mm,壁厚t=3mm,長度L=1000mm,一端完全固定,另一端按強(qiáng)制性位移進(jìn)行加載,使端面在20ms內(nèi)沿軸向發(fā)生500mm的壓縮位移,分析鋼管在整個過程中的變形以及應(yīng)力分布情況,最后進(jìn)行一些討論。
在分析中采用SHELL163顯式分析單元,單元變形方法選用Belytschko-Wong方法,這種單元算法比較適合于處理有表面翹曲的大變形問題。材料的密度為7800kg/m3,泊松比為0.27,彈性模量為2.07e11,屈服應(yīng)力為300MPa,切線模量為1e10。由于鋼管表面在沖擊壓縮過程中,可能會發(fā)生表面折疊和自相接觸的現(xiàn)象,因此需要定義接觸,接觸算法采用單面的自動接觸算法ASSC,接觸面的摩擦系數(shù)取為0.1。沖擊載荷定義如下:

表1 載荷-時間數(shù)組取值

    用ANSYS進(jìn)行建模,網(wǎng)格好后的模型如圖1。

圖1

下面動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的變形情況,如圖2。從圖中可以清楚地看到,一開始變形主要集中在薄壁鋼管的頂部和底部,從圖3中可以進(jìn)一步看到一開始變形發(fā)生在鋼管的底部,即固定端,隨即變形區(qū)域逐漸擴(kuò)大,慢慢的擴(kuò)大到頂部。隨著時間推移,底部和頂部的變形越來越大,但是鋼管中部部分基本上沒有發(fā)生變形。在卸去沖擊載荷后,即20ms后,薄壁鋼管開始恢復(fù)原來的狀態(tài),圖2中的右下圖顯示了20.7ms時的鋼管的變形情況,可見圓形鋼管不可能變到原來的狀態(tài),可見在此沖擊載荷下,薄壁鋼管已經(jīng)發(fā)生塑性變形,故不可能恢復(fù)到未加載時的形狀了,相應(yīng)的情形也可以在后面的圖片中看到。

圖2

圖3

下面動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力分布情況,如圖4。圖中顯示了不同時刻鋼管的應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出,隨著位移載荷的逐漸增大,鋼管中的最大應(yīng)力也急劇增大,可以看出在這樣的位移載荷下,材料早已經(jīng)承受不住了,最大應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的屈服應(yīng)力,材料將被完全破壞。還可以看出,在卸載后,鋼管恢復(fù)過程中的最大應(yīng)力居然大大超過了加載過程中的最大應(yīng)力,所以在卸載后結(jié)構(gòu)更加危險。

圖4

圖5中動態(tài)顯示了鋼管的塑性應(yīng)變的分布情況。從圖中可以看出,系統(tǒng)在加載過程中,頂面和底面將出現(xiàn)幅值很大的塑性應(yīng)變,而在中間部位,塑性應(yīng)變很小,接近于0。在卸載后,塑性應(yīng)變將進(jìn)一步增大,最大值將發(fā)生在鋼管的頂面,所以如果要對鋼管的變形進(jìn)行控制的話,中間部位可以不用管它,主要解決鋼管頂面和底面的結(jié)構(gòu)即可控制整個模型的變形。

圖5

3 結(jié)論
最后,結(jié)合本例,談?wù)勗诜治鰶_擊動力學(xué)方面的問題應(yīng)該注意的事項(xiàng)。
(1)注意采用正確的材料分析模型。
(2)對于薄殼單元,注意在計(jì)算中應(yīng)該采用沙漏控制。
(3)在大變形問題中(沖擊動力學(xué)主要研究這類問題),可以采用殼單元的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。
(4)在沖擊作用區(qū)域,如需對真實(shí)的局部應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬,則需要劃分相當(dāng)細(xì)密的單元網(wǎng)格,在非沖擊區(qū)域,單元網(wǎng)格可以適當(dāng)進(jìn)行放大,而對整個模型不會產(chǎn)生很大的影響。
(5)沿殼單元厚度方向,應(yīng)采用多個積分點(diǎn),以得到薄殼厚度方向的應(yīng)力分布情況。
(6)對于可能發(fā)生接觸的界面之間,需定義正確的接觸算法類型以反映實(shí)際情況;對于人工判斷可能有困難的地方,建議采用自動接觸算法,程序在計(jì)算時將自動進(jìn)行接觸判斷,這一算法可以用于任何復(fù)雜的接觸行為和過程。
(7)在建模過程中,沖擊物材料可采用剛性體,可以加快計(jì)算過程,剛性體即使采用很密的單元網(wǎng)格也不是增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算時間的。

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