圆柱体撞击墙面的动力分析结果

1.问题描述

某一圆柱体以300m/s的初速度垂直撞击水泥混凝土墙面，假设墙平面为刚性面，圆柱体的材料为结构钢，水泥混凝土墙材料模型为CONC 35MPA，其他相关参数在分析过程中体现。试分析圆柱体撞击刚性墙面后的情况。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

图10-18 创建Explicit Dynamics项目

（2）创建显式动力分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Sys-tems】中双击或拖动显式动力分析项目【Explic-it Dynamics】到项目分析流程图，如图10-18所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Rigid impact.wbpj，有限元分析文件保存在D：\AWB\chapter10文件夹中。

（3）确定材料参数

①编辑工程数据单元，鼠标右击【Engi-neering Data】→【Edit】。

②在工程数据属性中增加材料，在Workbench的工具栏上单击工程材料源库，此时的界面主显示【Engineering Data Sources】和【Outline of Favorites】。选择A5栏【Explicit materials】，从【Outline of Explicit materials】里查找水泥混凝土模型【CONC 35MPA】材料，然后单击【Outline of Explicit materials】表中的添加按钮，此时在C37栏中显示图标，表明材料添加成功，如图10-19所示。

图10-19 材料设置

③单击工具栏中的【A2：Engineering Data】关闭按钮，返回到Workbench主界面，新材料创建完毕。

（4）导入几何模型 在显式力分析项目上，鼠标右击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】→找到模型文件Rigid impact.agdb，打开导入几何模型，模型文件在D：\AWB\chapter10文件夹中。

（5）进入Mechanical分析环境

①在显式动力分析项目上，右键单击【Model】→【Edit…】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（m，kg，N，s，V，A）。

（6）为几何模型分配材料属性

①为圆柱体分配材料：在导航树里单击【Geometry】展开→【Cylinder】→【Details of“Cyl-inder”】→【Material】→【Assignment】=Structural Steel。

图10-20 分配材料模型

②为刚性墙平面分配材料，在导航树里单击【Geometry】展开→【Con-crete】→【Details of“Concrete”】→【Definition】→【Stiffness Behavior】=Rigid，【Material】→【Assignment】=CONC 35MPA，如图10-20所示。

（7）接触设置 在导航树上鼠标单击【Connections】展开，右击【Con-tacts】，从弹出的快捷菜单中单击【Delete】删除接触。

（8）划分网格

①在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Defaults】→【Relevance】=100，其他默认。(www.xing528.com)

②生成网格，右击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的单元网格模型，如图10-21所示。

③网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【MeshMetric】=Element Quality，显示Element Quality规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。

（9）施加边界条件

①单击【Explicit Dynamics（A5）】。

②时间设置，单击【Analysis Settings】→【Details of“Analysis Settings”】→【Step Controls】→【End Time】=2.0e 4，其他默认。

③在标准工具栏上单击选择圆柱体，在导航树上右击【Initial Conditions】，从弹出的快捷菜单中选择【Insert】→【Velocity】；接着依次【Velocity】→【Details of“Velocity”】→【Defi-nition】→【Define By】=Components，【Z Component】输入-300m/s，如图10-22所示。

图10-21 网格划分

图10-22 设置初始条件

（10）设置需要的结果

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②在求解工具栏上单击【Deformation】→【Directional】。【Directional Deformation】→【De-tails of“Directional Deformation”】→【Definition】→【Orientation】=Z Axis。

③在求解工具栏上单击【Stress】→【Equivalent（von Mises）】。

（11）求解与结果显示

①在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

②运算结束后，单击【Solution（A6）】→【Directional Deformation】，图形区域显示显式动力分析得到的Z方向变形分布云图，如图10-23所示；单击【Solution（A6）】→【Equivalent Stress】，显示图形区域显示显式动力分析得到的等效应力分布云图，如图10-24所示。

（12）保存与退出

①退出Mechanical分析环境，单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechanical】退出环境，返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本例是圆柱体撞击刚性墙面显式动力分析，圆柱体模型处理及与刚性墙模型间距处理、求解时间、边界设置是关键点。本例在碰撞初期，动能快速下降，内能快速上升，动能转化为内能；由于碰到刚性墙，撞击体有快速返回过程。可用本实例方法进行类似的碰撞试验分析。

图10-23 Z方向变形云图

图10-24 等效应力分布云图