基于ANSYS的低速碰撞模擬分析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

基于ANSYS的低速碰撞模擬分析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘

要：碰撞是工程中比較常見的問題，一般的碰撞呈現(xiàn)高度非線性動(dòng)力學(xué)問題，本文以某兩個(gè)不同的彈性小球?yàn)槔?，運(yùn)用ANSYS隱式動(dòng)力模塊分析不同的小球在下落碰撞過程中位移，速度，加速度變化的不同。體現(xiàn)ANSYS隱式動(dòng)力模塊分析低速碰撞問題的可行性。

關(guān)鍵詞：ANSYS;隱式動(dòng)力模塊求解;碰撞

前言

工程實(shí)踐中的許多撞擊現(xiàn)象（諸如鍛錘打擊砧板、射彈撞擊靶板，魚雷與目標(biāo)相撞等），在一般情況下，僅知道撞擊體的初始運(yùn)動(dòng)速度，撞擊體與目標(biāo)面之間的撞擊速度，加速的規(guī)律和大小是未知的。這給撞擊問題的理論研究帶來了一定的困難。有關(guān)撞擊現(xiàn)象的理論研究，主要是基于Hertz準(zhǔn)靜態(tài)接觸理論或進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。對(duì)于變形體的撞擊問題，更多的采用有限元分析手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限元分析在工程撞擊問題中的分析和模擬計(jì)算中的應(yīng)用越來越廣泛。本文采ANSYS隱式動(dòng)力模塊求解低速碰撞問題。

工程概況

某彈性小球自由跌落，考慮空氣阻力的影響，與剛性地面碰撞后反彈，可以預(yù)見小球的反彈高度越來越低，最終趨于停止。采用ANSYS對(duì)不同小球的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析。這里取下落高度h為2m，小球半徑為10cm，其中一個(gè)小球?yàn)閷?shí)心小球，另外一個(gè)小球內(nèi)有一個(gè)1cm*1cm*1cm的正方體空隙，彈性模量為7.8MPa，泊松比為0.47，密度930kg/m?，考慮空氣阻力（質(zhì)量阻尼系數(shù)為1.5，剛度阻尼系數(shù)為0.0001）。

有限元模型的建立

1.單元的選取

（1）彈性小球的單元選取

彈性小球分別為實(shí)心和空心圓球結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，面為曲面，所以直接采用sph4命令生成，使用20節(jié)點(diǎn)的solid186單元。

（2）接觸單元與目標(biāo)單元的選取

小球跌落碰撞時(shí)是典型的面-面接觸，對(duì)于柔體-剛體接觸，較軟的面為接觸面，因此選擇彈性小球表面為接觸面;選擇剛性地面為目標(biāo)面。

2.網(wǎng)格劃分

對(duì)于一個(gè)實(shí)心球體，這里采用映射劃分的方式：

對(duì)于一個(gè)空心球體，這里采用掃掠劃分的方式：

3.接觸單元的設(shè)置

碰撞是在小球表面發(fā)生的，因此接觸單元為小球表面的節(jié)點(diǎn)。

（1）使用nsla命令選擇附在面上的節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置單元類型。

（2）使用esurf命令生成表面效應(yīng)單元

4.目標(biāo)單元的設(shè)置

（1）使用tshop命令定義目標(biāo)單元為8節(jié)點(diǎn)3D單元

（2）目標(biāo)單元即剛性地面的創(chuàng)建，我們需要知道我們所建立的球體及接觸單元上最大的節(jié)點(diǎn)，在這里采用get命令獲取最大節(jié)點(diǎn)編號(hào)，命令如下：

*get，nn，node，0，num，max

6.求解設(shè)置

（1）采用完全（full）法求解

由于計(jì)算過程較為簡(jiǎn)單，不需要考慮開銷大小。并且使用完全法不必關(guān)心選擇主自由度會(huì)振型，在一次分析中就能得到所有的位移和應(yīng)力。

（2）設(shè)置子步長(zhǎng)度，子步越長(zhǎng)精度越高，但是太大不以收斂，由于受計(jì)算機(jī)配置的影響，子步較長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算較為緩慢，所以在這取2。

（3）系統(tǒng)中只有重力做功，因此需要添加重力加速。

經(jīng)過試驗(yàn)得到：

實(shí)心小球在：

0-0.7s未碰撞，此時(shí)取0.01-0.05一個(gè)較大的時(shí)間步，以便減少運(yùn)算時(shí)間。

0.7-0.79在此時(shí)間段將要發(fā)生碰撞，此時(shí)取0.0001-0.0005一個(gè)較小的時(shí)間步。

0.79-1.7s未碰撞，取時(shí)間步為0.01-0.05;1.7-1.82發(fā)生碰撞，取時(shí)間步為0.0001-0.0005;1.82-3.21未發(fā)生碰撞，取時(shí)間步為0.01-0.05用來模擬實(shí)心小球在3.21秒內(nèi)的下落過程

空心小球在：

0-0.7s未碰撞，此時(shí)取0.01-0.05一個(gè)較大的時(shí)間步，以便減少運(yùn)算時(shí)間。

0.7-0.8在此時(shí)間段將要發(fā)生碰撞，此時(shí)取0.0001-0.0005一個(gè)較小的時(shí)間步。

0.8-1.3未碰撞，取時(shí)間步為0.01-0.05;1.3-1.6發(fā)生碰撞，取時(shí)間步為0.0001-0.0005;1.6-2.4發(fā)生碰撞，取時(shí)間步為0.01-0.05。

由于在實(shí)心小球里仿真模擬里發(fā)現(xiàn)在2.4-3.2時(shí)間段內(nèi)有較大誤差，所以這里只取前2.4s進(jìn)行兩個(gè)小球各參數(shù)的對(duì)比分析。

仿真計(jì)算結(jié)果與分析

采用ANSYS隱式動(dòng)力模塊中完全法算法，利用ANSYS提供的POST26時(shí)間歷程后處理器，可以方便的得到不同小球撞向地面時(shí)的位移、速度、加速度變化曲線如圖1至圖6所示。

由圖1可以看出，兩個(gè)小球的位移大小變化呈現(xiàn)波動(dòng)性，實(shí)心小球波峰大小衰減的較空心小球快。

由圖2可以看出，兩個(gè)小球的速度變化呈現(xiàn)折線形，在第一次碰撞中實(shí)心小球速度變化更大，并且較空心小球在碰撞結(jié)束后速度衰減更大。

由圖3可以看出，兩個(gè)小球加速度變化呈現(xiàn)瞬態(tài)性，分別出現(xiàn)在兩次碰撞中，第一次碰撞中兩個(gè)小球加速度差別不是太大，其中實(shí)心小球較大一些，但是在第二次碰撞中，空心小球仍有較大的加速度。

產(chǎn)生這不同的原因是因?yàn)榭招那蛟谂鲎驳乃查g球壁會(huì)因受力向相反的方向（即向球心）變形，而球壁又會(huì)因?yàn)閺椥缘脑蛞謴?fù)該變形，于是，球就會(huì)彈起。而且由于空心小球內(nèi)部也擁有正方體壁，所以較實(shí)心小球更容易恢復(fù)變形。

結(jié)語(yǔ)

在ANSYS環(huán)境中進(jìn)行接觸動(dòng)力學(xué)計(jì)算具有明顯的優(yōu)越性。ANSYS為計(jì)算結(jié)果的分析提供了強(qiáng)有力的后處理功能。一方面，可以