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柯治成,柳忠彬,王 歡,李玉如
(四川理工學(xué)院機械工程學(xué)院,四川 自貢 643000)
摘要:根據(jù)屈曲分析的有限元基本理論,利用ANSYS/LS-DYNA通過實體建模對薄壁環(huán)形疊管進行仿真計算,從網(wǎng)格密度、材料屬性、單元類型、接觸類型、沙漏控制等五個方面討論了薄壁環(huán)形疊管在軸向沖擊力作用下的屈曲變化情況,并得到了環(huán)形疊管不同時刻的變形情況和應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。結(jié)果表明,采用該軟件進行薄壁環(huán)形疊管的動力屈曲分析是可行的,能夠代替真實實驗,節(jié)省成本。研究薄壁環(huán)形疊管變形、屈曲特征為其在新型吸能元件、工程應(yīng)用方面提出新的思路,對理論分析、實驗指導(dǎo)具有重要意義。
關(guān)鍵詞:軸向沖擊;屈曲分析;薄壁環(huán)形疊管
中圖分類號:TP391.7 文獻標識碼:A
0 引言
在固體力學(xué)領(lǐng)域屈曲分析是理論與實踐相結(jié)合的應(yīng)用之一,其研究方法分為實驗分析和數(shù)值模擬。在屈曲分析中,特別是涉及到非線性和動態(tài)問題時,實驗分析法無法對中間結(jié)果準確描述,而利用ANSYS中的結(jié)構(gòu)屈曲分析技術(shù)能有效地進行屈曲模擬。
環(huán)形疊管在軸向沖擊載荷作用下發(fā)生軸對稱的塑性變形,不但能夠高效地吸收能量,并且能按照設(shè)計要求控制碰撞力和速度的變化,因此是緩沖器、減震器等吸能元件的最佳選擇,將其應(yīng)用于汽車及機車車輛被動安全研究領(lǐng)域是一個新思路,而目前對環(huán)形疊管的吸能特性研究很少,壁厚在0.5 mm以下的超薄壁環(huán)形疊管在沖擊載荷下其屈曲行為也更加復(fù)雜。因此,本文利用ANSYS/LS-DYNA中的結(jié)構(gòu)屈曲分析技術(shù)有效地進行屈曲模擬對研究其變形模式和吸能特征提供指導(dǎo)。
1 有限元分析理論
1.1 屈曲分析的有限元理論
屈曲是指構(gòu)件從一個平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個新的平衡狀態(tài)的過程(轉(zhuǎn)移的過程由微小的干擾導(dǎo)致)。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷和屈曲模態(tài)。
屈曲現(xiàn)象的Lagrange公式如下:
其中:{at}為節(jié)點加速度矢量;[M]為質(zhì)量矩陣;Fext為施加外力和體力矢量;Fint為內(nèi)力矢量。Fint由下式構(gòu)成:
Fhg為沙漏阻力;Fcontact 為接觸力矢量。
節(jié)點的速度與位移可用下式得到:
為了保證中心差分法穩(wěn)定,時間步長值t應(yīng)滿足以下方程:
其中:tcrit為臨界時間步長;ωmax為系統(tǒng)的最高固有頻率。
顯式時間積分的最小時間步長是由最小單元邊長Lmin和材料的聲速c所決定的:
其中:a為時間步長因子,程序取值為0.9。
2軸向沖擊下環(huán)形疊管數(shù)值模擬
2.1 環(huán)形疊管的幾何構(gòu)型
環(huán)形疊管尺寸參數(shù)如表1所示。軸向沖擊載荷下環(huán)形疊管物理模型如圖1所示。
2.2 薄壁環(huán)形疊管的有限元模型
指定模型網(wǎng)格類型為四邊形網(wǎng)格,其邊長為5 mm,采用ANSYS中映射網(wǎng)格的劃分方法,完成的有限元模型如圖2所示。對薄壁結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分時,全部采用Shell單元并使用能容忍彎曲能力的Belytschko-Wong-Chliang算法。設(shè)置殼單元的剪切因子為5/6、殼單元的厚度為1.5 mm,沿殼的厚度方向采用5點積分。撞擊物用剛體模型,選用8節(jié)點的六面體單元(3D-Solid164)。
2.3 環(huán)形疊管材料參數(shù)、邊界條件及加載
薄壁環(huán)形疊管采用的材料是ANSYS中的雙線性同性材料,模型的材料采用低碳鋼,其力學(xué)性能參數(shù)如下:屈服極限σs=0.3 GPa,彈性模量E=206 GPa,泊松比υ=0.3,材料密度ρ=7 800 kg/m3,線剪切模量為10 GPa。邊界位移條件為:環(huán)形疊管的底端為固定端,上端受到重500 kg的剛性體以15 km/s的速度沖擊(約束Z方向和X方向的平動和全部轉(zhuǎn)動自由度)。由于單面接觸用于當(dāng)一個物體的外表面與自身接觸或和另一個物體的外表面接觸時,適合定義環(huán)形疊管在軸向沖擊載荷作用下接觸控制,故選用碰撞分析中應(yīng)用最廣的單面自動接觸( Contact_Automatic_Single- Sur-face),靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)均定義為0.3,對材料的沙漏及體積黏性控制采用軟件默認的數(shù)值。
3 求解與結(jié)果分析
在LS-DYNA Program Manager求解器計算完成后,計算結(jié)果寫入D3PLOT文件,利用后處理程序LS-POST對計算結(jié)果進行可視化處理,得到的碰撞力時間歷程曲線見圖3,系統(tǒng)能量分布圖見圖4,不同時刻變形圖見圖5,各個時刻的軸向位移圖見圖6,等效應(yīng)力云圖見圖7,塑性應(yīng)變云圖見圖8。
由圖3可得:在軸向沖擊載荷作用下薄壁環(huán)形疊管在0 s~0. 02 s受到的撞擊力最大且出現(xiàn)上下波動形態(tài),0. 02 s以后碰撞力趨于穩(wěn)定,這與理論結(jié)果吻合。
由圖4可知:在碰撞仿真中,需要滿足能量守恒,重物的動能從開始的峰值下降到最低,環(huán)形疊管的內(nèi)能逐漸升高達到穩(wěn)定。阻尼和沙漏能量低于總能量10%.說明仿真結(jié)果正確。
從圖5可以看出:在不同時刻環(huán)形疊管的表面變形為軸對稱變形,變形首先在上端面發(fā)生,并向下發(fā)展.在沖擊載荷最大時變形最為明顯,形成了多層皺折;這一仿真計算結(jié)果真實再現(xiàn)了環(huán)形疊管的動態(tài)漸進屈曲過程。
圖7顯示了不同時刻環(huán)形疊管的應(yīng)力分布情況,并在每一個子窗口左上角給出了相應(yīng)的應(yīng)力最大值。屈曲首先發(fā)生在自由端,環(huán)形疊管的首次屈曲大約發(fā)生在0. 003 75 s的位置,隨著時間的增加,環(huán)形疊管受到的應(yīng)力也在不斷增加,最大應(yīng)力約為3. 08 GPa,這個值與理論上的結(jié)論(端部效應(yīng))也一致。
4結(jié)論
本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析了軸向沖擊載荷作用下的薄壁環(huán)形疊管的動力屈曲問題,闡述了對其進行結(jié)構(gòu)屈曲分析的有限元原理和仿真方法,并通過對一具體薄壁環(huán)形疊管的屈曲現(xiàn)象進行分析得到以下結(jié)論:
(1)對薄壁環(huán)形疊管進行屈曲分析可找到結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷,為其工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。
(2)薄環(huán)形疊管在軸向沖擊載荷作用下發(fā)生軸對稱的塑性變形,不但能夠高效地吸收能量,并且能按照設(shè)計要求控制碰撞力和速度的變化,因此是緩沖器、減震器等吸能元件的最佳選擇,可將其應(yīng)用于汽車及機車車輛被動安全研究領(lǐng)域。
參考文獻:
[1]韓強,彈塑性系統(tǒng)的動力屈曲和分叉[M].北京:科學(xué)出版社,2000.
[2] Wilhelm Rust, Karl Schweizerhof. Finite element limit load analysis LS-DYNA [J]. Thin Walled Swctures,2003,21(5):227-244.
[3]楊桂通.結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的實驗研究[J].力學(xué)學(xué)報,1990,22(3):374-379.
[4]張立玲,高峰.金屬薄壁吸能結(jié)構(gòu)耐撞性研究進展[J].機械工人,2006(1):76-78.
[5]李志斌,虞吉林,鄭志軍,等.薄壁管及其泡沫金屬填充結(jié)構(gòu)耐撞性的實驗研究J].實驗力學(xué),2012,27 (1):77-86.
[6]龍述堯,陳仙燕,李青,矩形截面錐形薄壁管關(guān)于能量吸收和初始碰撞力峰值的優(yōu)化[J].工程力學(xué),2007,24(11):70-75.
[7]韓強,彈塑性系統(tǒng)的動力屈曲和分叉[M].北京:科學(xué)出版社,2000.
[8]劉濤,楊風(fēng)鵬,李貴敏,等.精通ANSYS[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.
Dynamical Buckling Specialty of Thin Ring Pile Tube under Axial Impact Load
KE Zhi-cheng, LIU Zhong-bin, WANG Huan, LI Yu-ru
(College of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)
Abstract: According to the basic theory of finite element buckling analysis, by use of ANSYS/LS-DYNA, the simulation calculation of thin-walled ring pile tube was carried out by solid modeling. Changing situation of buckling of thin-walled ring pile tube under axi-al impact force was discussed from the aspects of mesh density, material properties, element type, contact type, hourglass control.Deformation, stress, strain distribution of thin-walled ring pile tube at different moments were obtained. The result shows that using the software to carry out buckling analysis of thin-walled ring pile tube is feasible, can replace the real experiment, and cut down the cost. Studying thin-walled ring pile tube deformation and buckling characteristics put forward a new train of thought for its applica-tion in new energy absorption components, being of a great significance for the theoretical analysis and experiment guidance.
Key words: axial impact; buckling analysis; thin-walled ring pile tube
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