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摘要:通过箱体跌落试验,我们可以获得箱体跌落受力与形变方面的数据与结论,用以各个领域的研究。但是由于跌落问题的瞬态性,获取跌落中的数据需要反复用箱体进行跌落,数据捕捉难度大,且试验成本昂贵。随着计算机仿真技术的发展,借助计算机仿真技术,我们能够很好地解决这一问题。本文基于ANSYS/LS-DYNA进行了箱体跌落仿真,阐述了ANSYS软件对箱体跌落的仿真过程,通过对原有箱体建立模型并进行跌落仿真获取了箱体的形变和应力数值。试验表明,借助该软件可以很好地解决跌落仿真问题。
关键词:跌落仿真 ANSYS/LS-DYNA 应力与形变
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(b)-0006-03不少物体的损坏大都源于跌落碰撞,研发人员往往耗费大量的时间和成本,针对产品做相关的质量试验,最常见的结构试验就是跌落试验。这种方法可靠,但也存在这许多不足之处,如:试验的操作过程需要耗费大量的人力、财力,从而增加产品成本;试验发生的历程短,很难观察到试验过程中的现象;很难观察到产品内部特性和内部现象;测试的条件难以控制,使得试验重复性很差等等。利用LS-DYNA对其进行相关的模拟仿真可以很好的解决上述问题。ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序,能够模拟真实世界的各种复杂几何非线性、材料非线性和接触非线性问题,特别合适求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题,同时可以求解出热、流体及流固耦合问题。本文利用LS-DYNA中提供的跌落测试的程序模块,分析箱体的跌落过程。
1 仿真环境与原理
1.1?仿真硬件环境
仿真硬件环境如图1所示,包括交换机、PC机、笔记本组成的网络环境。
1.2?仿真软件环境
仿真软件环境分系统软件和应用软件两种,具体包括以下几点。
(1)WindowsXP操作系统。
(2)ANSYS12.0 。
(3)SolidWorks 。
1.3?仿真原理
应用有限元法,把连续的几何结构离散成有限个单元,并在每个单元中设定有限个节点,从而将连续体看作是由有限个节点相连接的单元集合体,同时在每个单元中假设一个近似插值函数来表示单元中场函数的分布规律,再建立用于求解节点未知量的有限元方程组,从而将一个连续域中的无限个自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题,近似地等效整体结构的物理特性。实际的跌落仿真技术是通过划分网格来实现有限元化的。计算时,利用瞬态动力学分析确定结构在静载荷,最后,通过CAE软件的动画、云图等形式将仿真结果显示出来。瞬态动力学分析(也称时间历程分析)是用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静载荷,瞬态载荷和简谐载荷及其随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力。载荷与时间的相关性使得惯性力和阻尼变得比较重要。
瞬态动力学分析求解的基本运动方程如下。
式中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;()为节点加速度向量()为节点速度向量;(U)为节点位移向量。在任意给定的时间t,这些方程可以看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的时间积分方法在离散点上求解这些方程。
1.4?仿真执行总体框架
在前面的仿真硬件和软件的基础上,仿真执行的总体框架如图2所示。
2 模型的制作
在solidworksCAD软件中构建箱体的实际模型时,由于实际箱体结构过于复杂,计算成本过高,必须去除箱体上与本试验无关的项目,从而利于我们进行仿真试验。我们通过拉伸切除的方式,在Solidworks中对原有模型进行了相应的简化,最后将简化的模型导入到ANSYS中,由此得到了ANSYS中的有限元模型,如图3所示。
3 材料的类型及其参数,仿真条件的加载
由于在ANSYS中并不提供单位统一,现将仿真过程的单位统一如表1所示。
我们选择了3Dsolid164单元来对简化模型的所有部分进行后面的网格划分。对于模型所给出的材料,除了8个条状长方体以外,都定义为LY12铝合金材料;将8个长方体条定义为软橡胶材料。
LY12铝合金参数如下。
材料类型为isotropic 。
密度2.78g/cm2即是2.78e-9t/mm2 。
弹性模量70000 。
泊松比0.33 。
橡胶材料参数如下。
blatz-korubber类型。
密度为1.15e-9t/mm2 。
剪切模量参数为1040 。
完成单元的选取和材料的定义后,把模型的各部分加载上对应的单元信息和材料信息,使得模型的每一个部分都有与之对应的单元类型和材料信息。定义结束后,通过glue操作,使得箱体各个部分相互固连在一起。然后对有限元模型进行了网格划分,得到划分后的模型。在此划分较密,以便得到较为精确的结果。网格划分结果如图4所示。我们以跌落底板为:
杨氏模量70000 。
密度2.78e-009t/mm2 。
波松比0.2 。
并对跌落参数进行设定,跌落高度为0,跌落初速度设定为-8000mm/s 。
箱体跌落角度为:X轴87.199997°,Y轴-86.110001°,Z轴242.61501°,将以上条件作为跌落条件设定。
4 数值计算及结果
建模、载荷施加完毕后,就开始对有限元模型跌落应力和形变云图进行计算。计算机会根据模型,材料,固定,网格,角度以及跌落参数进行计算。计算完毕后,通过后处理器来获取该模型跌落形变与应力云图。
在此,我们运用LS-PREPOST后处理器对结果进行分析。我们给出时间T=0.002899s的受力云图,如图5所示。
由图5知在T=0.002899s,最大受力为196.336,最大受力单元为230517单元。以此类推得到各个时间点的应力云图,得到各个时间点单元最大受力。取其最大值与LY12材料的屈服强度(大约550MPa)相比较,经过仿真得到最大值为431.132Mpa 。因其最大值小于LY12的屈服强度,故得出箱体能够承受跌落过程中应力的结论。
为了得到更为细致的结果,我们可以描绘模型上任何单元以及任何点的受力情况。如图6所示,图6中给出了268723单元在X轴的应力,同理可得Y轴Z轴的应力以及总矢量应力。再通过截取操作来获知模型内部的受力情况,在此不再赘述。
为了得到形变结果,我们选中3个单元(264146,272716,264136)来获取他们的形变曲线,如图7所示。
可知,3个单元的形变基本成线性,在0.01s以内的形变均小于60mm,形变较小且较均匀。
5 结语
ANSYS对箱体进行仿真后,在后处理器LS-PREPOST中得到箱体的应力与形变云图。通过后处理器得到的数据可知,箱体跌落过程中受力未超过材料的承受极限。可以看出,箱体模型的受力和形变皆在容许的范围内,箱体符合要求。
由上可知,利用ANSYS/LS-DYNA可以较好的完成箱体跌落仿真。但是对于本次仿真试验仍有以下地方有望改进:由于模型的复杂度过高,计算时间较长,在进行计算时对箱体做了适度的简化,从而较小程度上偏离了实际,为了更正这一问题,建议使用计算能力更强的计算机来针对复杂模型进行仿真;另外在仿真过程中,曾几度出现负体积的状况,最后通过局部网格细化使问题得以解决,建议在仿真中,使用计算能力更强的计算机进行更加精密的网格划分,以便得到更加精确的结果。
参考文献
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【仿真软件proteus】
[4] 张红梅,王照明.ANSYS仿真技术在舰船液货舱壳板修换中的应用[J].海军装备维修,2008(158).