薄管屈曲問(wèn)題

1前曰沖擊作用是在建筑樁基施工、金屬加工和動(dòng)力機(jī)械設(shè)計(jì)等問(wèn)題中常見(jiàn)的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的材料強(qiáng)度以及動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題（主要是變形和屈曲問(wèn)題）一直是一項(xiàng)很重要的動(dòng)力學(xué)研究課題。各種沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(gè)極短時(shí)間內(nèi)迅速地改變，沖擊作用的（加載）過(guò)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(dòng)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(dòng)力過(guò)程的分析。兩者的結(jié)合既克服了ANSYS在瞬態(tài)動(dòng)力過(guò)程分析方面的弱點(diǎn)，同時(shí)也克服了LS-DYNA在建模方面的不方便性，兩者的合并，無(wú)疑克服了各自的缺點(diǎn)，同時(shí)將兩者的優(yōu)點(diǎn)保留了下來(lái)。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(huì)發(fā)生這樣的問(wèn)題：但重物的重量慢慢增加時(shí)，薄壁鋼管突然會(huì)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(huì)危機(jī)生命。用理論可以分析簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jià)值。要分析的問(wèn)題描述如下：圓鋼管直徑為D=500mm，壁厚t=3mm，長(zhǎng)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(gè)過(guò)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(wèn)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(guò)程中，可能會(huì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(kāi)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(kāi)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(shí)間推移，底部和頂部的變形越來(lái)越大，但是鋼管中部部分基本上沒(méi)有發(fā)生變形。在卸去沖擊載荷后，即20ms后，薄壁鋼管開(kāi)始恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，圖2中的右下圖顯示了20.7ms時(shí)的鋼管的變形情況，可見(jiàn)圓形鋼管不可能變到原來(lái)的狀態(tài)，可見(jiàn)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(shí)的形狀了，相應(yīng)的情形也可以在后面的圖片中看到。

圖2卜面動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的VonMises應(yīng)力分布情況，如圖4。圖中顯示了漸增大，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(guò)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(guò)程中的最大應(yīng)力居然大大超過(guò)了加載過(guò)程中的最大應(yīng)力，所以在卸載后結(jié)構(gòu)更加危險(xiǎn)。FD4?LFOVMtmrTlmtD.DIEg整VfllUFinlh<JIsstc-at?,nl*73E9rwhiunaltflEcifw!StlBKfad.nluEFD4?LFOVMtmrTlmtD.DIEg整VfllUFinlh<JIsstc-at?,nl*73E9rwhiunaltflEcifw!StlBKfad.nluEmln311muJ-FfFBEfidS,alFrlWLevel!iAk?ctnl-22J|EiaSJAWe+Mr“mg心?■碩.LSimuUttrInpinJ-撤CanloLMiMI.Htdlvf^tran|v~n|iti虹i-al.vri—&42^Ei-a9.cIeiiiIF*Ltvchr-w?+M,frimpitfvHiT.MfckDB4.FM?皿G.32?eiD/rU9e+Dl；&渤E+的■.Mm,5偵址I好KrinpylTlW■U29JCanlDHiacdFNrdlvc芾hv“|vn|mioclaLviAhma-l.B3B4tiia88rtclEfAl3再J1iOSI($<+1QLMckmf圖5中動(dòng)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(guò)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(duì)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(gè)模型的變形。Frlnt?Le^elfr■CoMairit?rErtc-Llhr心51止心迎＜iJ.iKlefllifiDrOIe了mi9Mlt-flZ7.M?*0FL5DYM*M24TI：Q.12334*.Frlnt?Le^elfr■CoMairit?rErtc-Llhr心51止心迎＜iJ.iKlefllifiDrOIe了mi9Mlt-flZ7.M?*0FL5DYM*M24TI：Q.12334*.2".做旺乩處AHI17HD*e-QlL^PYmuMirLnp^3UTi?-U.BI5WNLHMiM!P1?i4i：政土4HMtV|Jue圖5最后，結(jié)合本例，談?wù)勗诜治鰶_擊動(dòng)力學(xué)方面的問(wèn)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(duì)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(wèn)題中（沖擊動(dòng)力學(xué)主要研究這類問(wèn)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(duì)真實(shí)的局部應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬，則需要?jiǎng)澐窒喈?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(duì)整個(gè)模型不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。（5）沿殼單元厚度方向，應(yīng)采用多個(gè)積分點(diǎn)，以得到薄殼厚度對(duì)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(duì)于人工判斷可能有困難的地方，建議采用自動(dòng)接觸算法，程序在計(jì)算時(shí)將自動(dòng)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(guò)程。在建模過(guò)程中，沖擊物材