ANSYSLS-DYNA數(shù)值模擬霍普金森壓桿試驗(yàn)資料

1、收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除ANSYSLS-DYNA數(shù)值模擬霍普金森壓桿試ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬霍普金森壓桿試驗(yàn)功能概述大多數(shù)材料在強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)方面都表現(xiàn)出某種程度的加載率或應(yīng)變率敏感性，高幅值短持續(xù)時(shí)間脈沖和荷載所引起材料力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)，對(duì)于抗動(dòng)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析是非常重要的。這些動(dòng)載來(lái)至常規(guī)武器侵徹與爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍事和民用事件，對(duì)于這些事件的理論分析和數(shù)值模擬必須知道材料的高應(yīng)變率強(qiáng)度、斷裂特性和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等本構(gòu)性質(zhì)。要研究材料在脈沖動(dòng)載作用下的力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)必須模擬類似現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變率條件，分離式霍普金森桿被公認(rèn)為是最常用最有效的研

2、究脈沖動(dòng)載作用下材料力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。數(shù)值模擬是一種依靠電子計(jì)算機(jī)對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類問(wèn)題進(jìn)行研究的技術(shù)。它利用材料的本構(gòu)函數(shù)，結(jié)合有限元或有限容積的概念，采用數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，因此具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）檢驗(yàn)理論結(jié)果是否正確；（2）彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)得不足；（3）利用模擬結(jié)果，了解非線性過(guò)程中的因果關(guān)系與主要物理機(jī)制；（4）預(yù)測(cè)在不同初始條件與邊界條件下非線性過(guò)程的發(fā)展情形；（5）數(shù)值模擬成本低，可以帶來(lái)巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。由于很多材料的本構(gòu)性質(zhì)已經(jīng)知道，因此在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，可以利用材料的本構(gòu)性質(zhì)通過(guò)仿真來(lái)模擬復(fù)雜的系統(tǒng)。ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬霍普金森壓桿試驗(yàn)，就是通

3、過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件來(lái)模擬霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置彈丸不同速度，對(duì)試件進(jìn)行研究?；羝战鹕瓑簵U實(shí)驗(yàn)分為自由式和分離式兩種，本仿真采用分離式的辦法。原理簡(jiǎn)介霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介霍普金森桿實(shí)驗(yàn)裝置的基本原型最早是由Hopkinson提出的，它可用于測(cè)量沖擊載荷的脈沖波形。1949年Kolsky將壓桿分成兩段，試件置于輸入桿和輸出桿中間，通過(guò)加速的質(zhì)量塊、短桿撞擊或炸藥爆轟產(chǎn)生加速脈沖，利用這一裝置可測(cè)量材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Kolsky的工作是一項(xiàng)革命性改進(jìn)，現(xiàn)代的分離式霍普金森桿都是在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，所以分離式霍普金森桿也稱之為Kolsky桿。在這半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里

4、，分離式霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到了大力的發(fā)展，由最初的壓縮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展到拉伸和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)甚至是壓扭、拉扭復(fù)合系統(tǒng)；其測(cè)試材料的種類己由金屬發(fā)展到非金屬，由韌性材料到脆性材料；從常溫實(shí)驗(yàn)發(fā)展到高、低溫實(shí)驗(yàn)；從較低應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)發(fā)展到較高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)。另外，由于自由式霍普金森桿技術(shù)由于能夠?qū)嶒?yàn)高過(guò)載，已經(jīng)成為高g值加速度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)技術(shù)。ANSYS/LS-DYNA簡(jiǎn)介在求解沖擊、爆炸問(wèn)題時(shí)，只有采用非線性數(shù)值算法才能解決。廣泛使用的有限元程序如LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS和AUTODYN等專長(zhǎng)于求解非線性問(wèn)題。DYTRAN可用于爆炸、高速侵徹、船體撞擊毀損等分析領(lǐng)域，但是在處理沖擊

5、問(wèn)題的接觸算法上遠(yuǎn)不如LS-DYNA全面。ABAQUS可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題，但是對(duì)爆炸和沖擊過(guò)程的模擬相對(duì)不足。AUTODYN可用于處理幾何和材料大變形的非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析數(shù)值模擬，尤其在彈藥工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可對(duì)聚能射流現(xiàn)象、破甲穿甲彈侵徹靶板的作用機(jī)理進(jìn)行仿真。LS-DYNA作為世界上最著名的通用顯示動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問(wèn)題,特別適合于求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問(wèn)題，同時(shí)可以求解傳熱、流體及流固藕合問(wèn)題1996LSTC公司與ANSYS公司合作推出ANSYS/

6、LS-DYNA，大大增強(qiáng)了LS-DYNA的分析能力。ANSYS/LS-DYNA程序是功能齊全的幾何非線性（大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變）、材料非線性（140多種材料動(dòng)態(tài)模型）和接觸非線性（50多種）程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能；以非線性動(dòng)力分析為主，兼有靜力分析功能（如動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算和薄板沖壓成型后的回彈計(jì)算）；軍用和民用相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元程序。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬的一般步驟包括:前處理、求解及后處理。前處理工作主要包括：算法及有限元單元的選

7、擇、材料模型的確定、模型的建立、網(wǎng)格的劃分、接觸的定義、約束及載荷的施加等步驟，其中前處理工作由ANSYS/PREP7完成。前處理操作完成后，系統(tǒng)將生成相應(yīng)的K文件。此時(shí)可根據(jù)數(shù)值模擬的實(shí)際情況來(lái)決定是否修改K文件內(nèi)容。由于K文件為二進(jìn)制文件，需采用文本編輯器將K文件打一開、編輯。K文件修改完畢后，調(diào)用LS-DYNA970版求解器進(jìn)行求解，生成圖形文件和時(shí)間歷程文件。求解過(guò)程結(jié)束后，啟動(dòng)后處理程序LS-PREPOST。LS-PREPOST可讀取LS-DYNA的計(jì)算結(jié)果d3Plot文件，進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的整理以及二次運(yùn)算。仿真材料及模型尺寸的選擇分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)包括子彈、輸入桿、輸出桿及試件。

8、本仿真采用鎢鋼作為子彈、輸入桿以及輸出桿的材料，試件選用5A06-C鋁。數(shù)值模擬的模型尺寸如表3.1，數(shù)值模擬材料參數(shù)如表3.2，表3.3。表3.1數(shù)值模擬的模型尺寸模型長(zhǎng)度l/m外徑0/m鎢鋼子彈0.21.5X10-2鎢鋼輸入桿11.5X10-2鎢鋼輸出桿0.81.5X10-25A06-C鋁試件8X10-31.3X10-2表3.2子彈、輸入桿、輸出桿的材料參數(shù)和模型密度楊氏模量泊松比切線模量失效模量材料p/kgE/PaEt/PaE./Pa模型/m3/s鎢鋼子彈76782.1E110.29-Isotropic鎢鋼輸入桿76782.1E110.29-Isotropic鎢鋼輸出桿76782.1E1

9、10.29-Isotropic表3.3試件的材料參數(shù)和模型密度楊氏模泊松材料p/kg量比A/MpaB/Mpancm/m3E/PaA5A06-C622.30.580.l74l.05鋁試件26807.9El00.33235.4接上表：材料EfPlSRSpecificHeatFailStressRoomTemp(K)MeltTemp(K)模型5A06-C鋁試件le-64.77e-6-9294l050Johnson-Cook上述3個(gè)表中采用的是kg-m-s單位制，在建模過(guò)程中采用的是cm-g-us單位制，因此需進(jìn)行單位換算。霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)LS-DYNA有限元模型建立4.1創(chuàng)建單元及材料類型首先選擇單

10、元類型，由于霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中子彈、輸入桿、輸出桿及試件均為圓柱體且共軸，因此，有限元模型單元類型選用三維實(shí)體S0LID164單元，并采用拉格朗日算法。由于該實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)間短，為了方便輸入?yún)?shù)以及仿真，本仿真采用cm-g-us單位制進(jìn)行建模。因此，在建模的過(guò)程中，對(duì)單位進(jìn)行了換算，將通用的kg-m-s單位制參數(shù)換算成cm-g-us單位制。另外，為了防止模型尺寸對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，數(shù)值模擬過(guò)程中實(shí)體建模采用全比例尺寸。為了節(jié)省數(shù)值計(jì)算工作量，采用給彈丸賦值初速度的辦法忽略了炮膛和支架，并通過(guò)約束輸出桿末端的辦法忽略吸收桿，同時(shí)圓柱體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立了1/4三維實(shí)體模型，在后處理的時(shí)候還原成圓柱體

11、。劃分網(wǎng)格在劃分網(wǎng)格前，需要給實(shí)體模型賦予網(wǎng)格屬性，即給實(shí)體模型選擇之前創(chuàng)建的材料類型和單元類型。在數(shù)值模擬過(guò)程中，網(wǎng)格密度太小會(huì)產(chǎn)生虛波現(xiàn)象，網(wǎng)格密度太大，對(duì)改善波形起的作用不是很大，相反會(huì)耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)。因此，應(yīng)該給實(shí)體模型選擇合適的網(wǎng)格密度。本仿真選擇映射式網(wǎng)格劃分有限元模型，并對(duì)前人的結(jié)果進(jìn)行分析，不同網(wǎng)格密度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，設(shè)置了合適的網(wǎng)格數(shù)量。定義接觸LS-DYNA程序中處理接觸-碰撞界面主要采用三種不同的算法，即：節(jié)點(diǎn)約束法、對(duì)稱罰函數(shù)法和分配參數(shù)法。在此，我采用了最常用的對(duì)稱罰函數(shù)法。對(duì)稱罰函數(shù)法中接觸剛度值K是個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)應(yīng)力波相關(guān)知識(shí)，彈性波在兩個(gè)截面相等、波阻抗相同

12、以及互相接觸的彈性桿中傳播時(shí)，應(yīng)力波在桿的接觸處無(wú)反射。這里選擇接觸剛度值為1.2，此時(shí)入射桿上的反射波很微弱。滿足要求。在數(shù)值模擬中，子彈與輸入桿之間的接觸類型為表面-表面自動(dòng)接觸類型，子彈為接觸面，輸入桿為目標(biāo)面。輸入桿與試件之間的接觸類型為節(jié)點(diǎn)-表面自動(dòng)接觸類型，試件與輸出桿之間的接觸類型也為節(jié)點(diǎn)-表面自動(dòng)接觸類型，由于試件的網(wǎng)格密度較大，所以試件為接觸面，輸入桿和輸出桿為目標(biāo)面。定義對(duì)稱和子彈速度由于采用了1/4三維實(shí)體模型，所以需要對(duì)對(duì)稱面才用對(duì)稱約束。另外，由于省略了吸收桿，因此對(duì)輸出桿末端進(jìn)行了約束，建立了其z軸無(wú)位移約束，X軸和y軸方向的平動(dòng)約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束。另外，前處理中定義了

13、子彈的速度，并可以通過(guò)修改K文件中的*1NITIAL-VELOCITY-GENRATION關(guān)鍵字來(lái)修改子彈的速度，從而進(jìn)行不同速度的比較。定義求解條件為了求得實(shí)驗(yàn)的完整結(jié)果，所定義的求解時(shí)間應(yīng)略大于應(yīng)力波在壓桿中完整傳播一個(gè)來(lái)回的時(shí)間。通過(guò)查詢資料，求解時(shí)間設(shè)為600us，最終結(jié)果達(dá)到了預(yù)想的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖5.1分離式霍普金森壓桿LS-DYNA模型圖如圖5.1所示，改圖為分離式霍普金森壓桿LS-DYNA模型，從左到右依次是輸出桿、試件、輸入桿以及子彈。通過(guò)LS-DYNA建立模型后，輸入相關(guān)求解條件，然后生成K文件，用LS-DYNA求解器求解，并獲得名為3dplot的文件,然后通過(guò)LS-D

14、YNA后處理軟件LS-Prepost軟件分析求解結(jié)果。194.94時(shí)間/微秒(Eo出斜伺圖5.2子彈速度為10m/s時(shí)試件靠近輸入桿一側(cè)的應(yīng)變彈性波速是材料的基本參數(shù)，它可由材料的彈性模量和密度計(jì)算得出。如圖5.2所示，當(dāng)t=184.94us時(shí)，試件開始有應(yīng)變，說(shuō)明彈性波已經(jīng)通過(guò)輸入桿進(jìn)入試件了，可以計(jì)算出數(shù)值模擬中彈性波在壓桿中的傳播速度C。C0=(1/184.94)X106=5407.16m/s圖5.3不同子彈速度下輸入桿中點(diǎn)處應(yīng)變A圖5.4不同子彈速度下輸入桿中點(diǎn)處應(yīng)力證、S0巴-R151Av=1Dm/tB20m/sCv=30m/s口v=40nVsEv-SOm/sI-0.21002003

15、00400500600時(shí)間f微秒圖5.5不同子彈速度下輸入桿中點(diǎn)出加速度在分離式霍普金森桿數(shù)值模擬中，不同子彈速度下，輸入桿上應(yīng)變、應(yīng)力以及加速度與時(shí)間關(guān)系如圖5.3、圖5.4、圖5.5所示。如圖5.3，圖5.4所示，可以發(fā)現(xiàn)：（1）隨著子彈速度的增大，入射波應(yīng)力幅值隨之增大；（2）隨著子彈速度的增大，入射波的第一峰值點(diǎn)在時(shí)間域內(nèi)的位置不發(fā)生變化；（3）入射波近似為矩形波，入射波在剛開始稍有振蕩現(xiàn)象，表明波形彌散現(xiàn)象存在，但不是很嚴(yán)重。另外，當(dāng)子彈速度為10m/s時(shí)，入射桿的應(yīng)力約為200MPa，入射桿的應(yīng)變?yōu)?200個(gè)微應(yīng)變，入射波的脈寬為100us左右。如圖5.,5可以看出，輸入桿中點(diǎn)處的

16、過(guò)載加速度值隨著子彈速度的增大而增大，過(guò)載加速度脈寬不隨子彈速度的增大而發(fā)生變化。另外，隨著子彈速度的增大，入射波的第一峰值點(diǎn)在時(shí)間域內(nèi)的位置不發(fā)生變化，再結(jié)合圖5.3，圖5.4可以得出結(jié)論是波在輸入桿中的傳播速度不隨著子彈速度的變化而變化。圖5.6不同子彈速度下輸出桿中點(diǎn)處應(yīng)變0Ooe-RlaDABv=20m/sv-30m/&Dv-40m/5Ev=50n/s1002003OD400SOD600時(shí)間f微秒圖5.7不同子彈速度下輸出桿中點(diǎn)處應(yīng)力圖5.6，圖5.7是不同子彈速度下輸出桿中點(diǎn)處應(yīng)變圖和應(yīng)力圖，從圖可以發(fā)現(xiàn)，輸出桿波形具有類似輸入桿的三個(gè)特點(diǎn)。但是，輸出桿波形彌散較為嚴(yán)重，說(shuō)明所取的網(wǎng)格密度太稀疏了。結(jié)論本次作業(yè)我完成了用LS-DYNA數(shù)值模擬分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，通過(guò)查詢相關(guān)資料，選擇相關(guān)材料，設(shè)計(jì)了輸入桿、輸出桿、子彈