基于LS-DYNA的圓鋼管落錘沖擊響應(yīng)分析

王強(qiáng)（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040）

王麗平（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川 綿陽 621000）

0 引言

在土木工程領(lǐng)域的相關(guān)研究中，由于鋼材具有高強(qiáng)度、自重較輕和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，常用于大跨度建筑（構(gòu)筑）結(jié)構(gòu)中，其中鋼管構(gòu)件由于截面中心對(duì)稱，截面特性各向同性，材料均勻分布在周邊以及截面抗彎剛度大等優(yōu)點(diǎn)，作為桁架或塔架結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件在橋梁、輸電塔、海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)中成為常用的結(jié)構(gòu)鋼型材。這些結(jié)構(gòu)往往處于邊坡下方，常會(huì)面臨落石等一些沖擊影響，對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，甚至發(fā)生倒塌，造成相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)于圓鋼管構(gòu)件在落錘沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，確定不同沖擊能量下圓鋼管的變形情況，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 建立模型

LS-DYNA是常用的顯式非線性有限元分析軟件，主要包括幾何非線性、材料非線性以及接觸非線性，能求解各種非線性結(jié)構(gòu)的碰撞沖擊問題。采用LS-DYNA的接觸分析，建立圓鋼管及落錘的有限元模型，其中鋼管建模采用solid164實(shí)體單元，同時(shí)采用雙線性等向強(qiáng)化模型來模擬圓鋼管材料，應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示，為保證材料的受力均勻，避免在截面變化較大處劃分過細(xì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，網(wǎng)格劃分尺寸采用3mm×6mm。落錘采用solid164實(shí)體單元，并通過smartsize進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 鋼管及落錘有限元模型

2 模擬分析

2.1 確定工況

進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，通過改變落錘的沖擊速度而改變沖擊能量來確定扥洗工況，其工況如表1所示。

2.2 模擬分析

本文分析沖擊荷載作用下的以上各個(gè)模型分別在T=0.005s、T=0.01s以及T=0.04s時(shí)的變形以及應(yīng)力分布情況。

表1 試驗(yàn)工況

2.2.1 v=4.01m/s

落錘沖擊速度為4.01m/s時(shí)的變形及應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 變形及應(yīng)力分布云圖

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

2.2.2 落錘沖擊速度為v=5.09m/s

落錘沖擊速度為5.09m/s時(shí)的變形及應(yīng)力云如圖4所示。

圖4 變形及應(yīng)力分布云圖

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

2.2.3 落錘沖擊速度為v=6.00m/s

落錘沖擊速度為6.00m/s時(shí)的變形及應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 變形及應(yīng)力分布云圖

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

3.2.4 落錘沖擊速度為v=7.43m/s

落錘沖擊速度為7.43m/s時(shí)的變形及應(yīng)力云圖如圖6所示。

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

圖3~6分別表示不同沖擊速度下圓鋼管的變形分布云圖及應(yīng)力分布云圖。從表中變形分布云圖可以看出，在落錘沖擊時(shí)落錘與圓鋼管接觸點(diǎn)處率先發(fā)生一定變形，隨后，變形向四周擴(kuò)散，鋼管逐漸發(fā)生變形。從表中應(yīng)力分布云圖可以看出，圓鋼管在沖擊荷載下接觸點(diǎn)處以及兩端產(chǎn)生的應(yīng)力較大，隨著時(shí)間的進(jìn)行，兩端應(yīng)力逐漸消失，僅接觸點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力。由此可以得出，圓鋼管在與落錘接觸時(shí)，迅速產(chǎn)生變形，而隨著時(shí)間的增大，落錘與圓鋼管分離，鋼管發(fā)生彈性恢復(fù)，使鋼管最終變形減小。

圖6 變形及應(yīng)力分布云圖

3.2.5 時(shí)程曲線對(duì)比分析

落錘在4個(gè)不同的沖擊速度下接觸點(diǎn)處的位移時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 位移-時(shí)間曲線

從圖7中可以看出，圓鋼管接觸點(diǎn)處與落錘接觸時(shí)迅速產(chǎn)生較大的變形，然后隨著時(shí)間的進(jìn)行，圓鋼管變形逐漸恢復(fù)直至保持最終的變形情況。

4 結(jié)語

通過有限元軟件對(duì)落錘荷載作用下圓鋼管的沖擊動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，可以得出：圓鋼管在沖擊荷載作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，且變形由鋼管與落錘的接觸點(diǎn)處開始向四周擴(kuò)散；同時(shí)圓鋼管材料具有相應(yīng)的彈性恢復(fù)能力，沖擊荷載越大，恢復(fù)的變形越小，鋼管最終產(chǎn)生的變形越大。