基于ANSYS的低速碰撞模擬分析

彭振飛

摘? 要：碰撞是工程中比較常見的問題，一般的碰撞呈現(xiàn)高度非線性動力學(xué)問題，本文以某兩個不同的彈性小球為例，運用ANSYS隱式動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隱式動力模塊分析低速碰撞問題的可行性。

關(guān)鍵詞：ANSYS;隱式動力模塊求解;碰撞

前言

工程實踐中的許多撞擊現(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動速度，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)的試驗研究。對于變形體的撞擊問題，更多的采用有限元分析手段。隨著計算機的發(fā)展，有限元分析在工程撞擊問題中的分析和模擬計算中的應(yīng)用越來越廣泛。本文采ANSYS隱式動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對不同小球的運動過程進(jìn)行分析。這里取下落高度h為2m，小球半徑為10cm，其中一個小球為實心小球，另外一個小球內(nèi)有一個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

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

（2）接觸單元與目標(biāo)單元的選取

小球跌落碰撞時是典型的面-面接觸，對于柔體-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

對于一個實心球體，這里采用映射劃分的方式：

對于一個空心球體，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。

（1）使用nsla命令選擇附在面上的節(jié)點，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，在這里采用get命令獲取最大節(jié)點編號，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

由于計算過程較為簡單，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)置子步長度，子步越長精度越高，但是太大不以收斂，由于受計算機配置的影響，子步較長時，計算較為緩慢，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)過試驗得到：

實心小球在：

0-0.7s 未碰撞，此時取0.01-0.05一個較大的時間步，以便減少運算時間。

0.7-0.79在此時間段將要發(fā)生碰撞，此時取0.0001-0.0005一個較小的時間步。

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

空心小球在：

0-0.7s未碰撞，此時取0.01-0.05一個較大的時間步，以便減少運算時間。

0.7-0.8在此時間段將要發(fā)生碰撞，此時取0.0001-0.0005一個較小的時間步。

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

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

仿真計算結(jié)果與分析

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

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

由圖2可以看出，兩個小球的速度變化呈現(xiàn)折線形，在第一次碰撞中實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，第一次碰撞中兩個小球加速度差別不是太大，其中實心小球較大一些，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為空心球在碰撞的瞬間球壁會因受力向相反的方向（即向球心）變形，而球壁又會因為彈性的原因要恢復(fù)該變形，于是，球就會彈起。而且由于空心小球內(nèi)部也擁有正方體壁，所以較實心小球更容易恢復(fù)變形。

結(jié)語

在ANSYS環(huán)境中進(jìn)行接觸動力學(xué)計算具有明顯的優(yōu)越性。ANSYS為計算結(jié)果的分析提供了強有力的后處理功能。一方面，可以在時間歷程后處理器中用曲線的形式描述我們所感興趣的節(jié)點和單元上的物理量（如速度、加速度、應(yīng)力等）隨時間的響應(yīng)歷程;另一方面，可以通過在通用后處理器中用彩色云圖的方式隱式計算結(jié)果分布情況，這對于某些工程結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

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