基于ANSYS／LS—DYNA的非线性碰撞问题仿真分析

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1、《装备制造技术)2009~年第8期基于ANSYS／LS—DYNA的非线性碰撞问题仿真分析佘淑华’。陈新连z(1．柳州市科技情报所，广西柳州545006；2．柳州市科技局，广西柳州545006)摘要：4r绍显式动力学算法的基本理论，通过大型商用显式动力学有限元软件ANSYS／LS-DYNA对非线性碰撞问题进行了仿真研究。关键词：显式动力学；ANSYS／LS—DYNA；非线性；碰撞中图分类号：TB115文献标识码：A文章编号：1672—545X(2009)08-0039-02传统的有限元法，在算法上属于静态隐式算法。求解中每乘得到。个

2、时间步都要重新计算大型非线性刚度矩阵，并进行反复迭如果为对角阵，则它的转置为三角阵，且矩阵方程可看代以获得收敛解。需要较长的计算时间和较大的存贮空间。近作是每一个自由度上的独立方程组：年来，显式动力学有限元法，在碰撞冲击领域已得到广泛的应=，(4)用，并显示了在处理大规模接触问题时的优势。不同于静态隐在时域内应用中心差分法得式算法，显式动力学有限元法无需建立刚度矩阵和求逆运算，而是采用中心差分法显式求解有限元方程，并通过单点高斯“}“一}+(△‘}。卜△‘÷)(5)++积分和集中质量，提高了求解速度，具有节省计算时间和存储d叶t=

3、+上4(6)空间以及易于处理问题的优点【1]。这里假定加速度在整个时间步长内恒定。1显式动力学有限元法基本理论如果已经求得时间步长n时的节点位置和加速度以及时间步长一)时的节点速度，则时间步长(n+1)时的位移d可显式动力学有限元基本方程为圈：假设当前时间步长为第rt．步，有如下运动方程：以由式(5)和式(6)解出。因此在整个时域范围内，可由上述积分递推公式，求得各个离散时间点处的位移、速度和加速度。Mu+=(1)中心差分法是一种显式算法，但中心差分法是条件稳定式中，的，即用它求解具体问题时，时间步长必须小于由该问题求解——质量矩

4、阵；方程性质所决定的某个临界值△，否则算法将是不稳定的。c——阻尼矩阵；K——刚度矩阵；对显式算法来说，当时间步小于临界时间步时稳定：——外界作用力矢量；A￡≤△￡：f71m“u——时间步长n时的加速度；式中，甜为最大自然角频率。——时间步长rt时的速度；由于时间步小，显式分析对瞬态问题有效。——时间步长1．时的位移。方程(1)可被改写成2算例分析Mu=一(2)2．1有限元模型的建立(3)本文采用显式动力学有限元软件ANSYS／LS—DYNA，对一式中，个带有弧形的容器与刚性板碰撞，进行非线性碰撞仿真研究。卜内部作用力(如：单元力

5、，沙漏力)用CAD技术建立容器的三维模型时，考虑到进行CAE软件的Fn=Cv+Kd通用性，采用UG进行三维建模。该容器的上面是弧形顶，四——剩余载荷矢量周围均有肋板，起支撑的作用。前面开了一个小窗。几何模型加速度可以通过质量矩阵的转置矩阵与剩余载荷矢量相如图1所示。收稿日期：2009-05—15作者简介：余淑华(1979一)，女(壮族)，湖南人，助理工程师，研究方向为机械设计；陈新连(1973一)，男，灵川人，助理工程师，研究方向为模具设计。39EquipmentManufactringTechnologyNo．8，20092．7

6、仿真结果分析对于ANSYS／LS—DYNA软件来说，有两个后处理器来显示和分析模拟的结果。POST1通用后处理器，可以观察整个模型或模型的一部分，在某个时间上针对特定载荷组合时的结果。POST26为时间历程后处理器，可以表示作用力与变形的关系，分析各点的应力、应变随时间的变化情况。用POST1通用后处理器得到的位移变形情况如图3。用POST26时间历程后处理器，观察弧形顶处的6692号节点的图1三维几何模型时间位移变化情况如图4所示。2．2单元类型的选择SHELL163是一个4节点单元，有弯曲和膜特征，可加平面和法向载荷，一般用于

7、显示动力学分析。故容器采用shell163薄壳单元，为非线性弹性材料，与之相碰撞的板定义为刚体，由于刚体内所有节点的自由度都耦合到刚体的质心上，因此，不论定义了多少节点，刚体仅有6个自由度。同时刚体的质量、质心、惯性由刚体体积和单元密度计算得到，可减少显式分析的计算时间[31。2．3有限元模型材料性能参数材料的弹性模量为2e5MPa，泊松比为O．3，圆顶容器的厚度0．5mm，密度为7．8ekg／m，屈服强度为300MPa。2．4网格的划分图3位移变形情况有限元网格划分，是将整体结构离散化，是数值分析的前提。为了便于计算及节省时间，

8、将刚性板作为一个单元。考虑{到支撑板的尺寸及节点重合情况，对接触模型进行网格划分。；l单元尺寸50×50，节点数为12780个，单元数为12875个。一～}一～{～}{2．5定义接触}j⋯r～厂r—r在LS—DYNA程序中，定义可能接触的接触表面，