ANSYSWOKBENCH板架結(jié)構(gòu)碰撞仿真

1、ANSYSWORKBENCH板架結(jié)構(gòu)碰撞仿真機械制造論文ANSYSWORKBENCH板架結(jié)構(gòu)碰撞仿真撰文/石獅市海洋與漁業(yè)執(zhí)法大隊蘇偉江青島武船重工有限公司 孫啟哲碰撞是一種在短時間內(nèi)局部發(fā)生的復(fù)雜非線性瞬態(tài)響應(yīng)過程,在交通運 輸、機械及軍工等領(lǐng)域普遍發(fā)生。在設(shè)計車輛時,需要大量的碰撞仿真及實車碰 撞實驗,以確保車輛的安全；在船舶事故理賠時,也需要碰撞仿真以提供有效證 據(jù),因此碰撞仿真正在相關(guān)行業(yè)迅速普及。在各行各業(yè),為了減輕結(jié)構(gòu)重量,大 量采用板架結(jié)構(gòu)以增加結(jié)構(gòu)的強度和剛度,本文使用ANSYS WORKBENCH , 分別使用三種建模方法對一板架結(jié)構(gòu)進行了碰撞仿真，并得到了碰撞力和能量吸 收

2、曲線等數(shù)據(jù)，仿真方法具有代表性,可為各行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計及事故研究提供參考, 具體操作過程如下。_、板架結(jié)構(gòu)建模本文使用WORKBENCH自帶的Geometry進行建模。本文中,板架模型的尺寸是5mx5m ,板厚為7mm ,角鋼尺寸為 60mmx40mmx 5mm，間顯目為 0.5m。1. 實體建模(1)拉伸生成正方形板(Solid body 1打開 WORKBENCH 并在窗口左邊的"Tool box"中雙擊 "Geometry"和"Explicit Dynamics,f兩個按鈕，此時主窗口空白區(qū)域新增兩 個工程,拖動綠色"Geometr

3、y"按鈕按圖1所示將兩者連接起來。GeqmetryGcowtrr亦 C4曲】無建觀6億呂啖目雙擊綠色"Geometry"按鈕打開建模軟件,在XYplane新建一個草圖(New Sketch ),繪制一個5mx5m的矩形，然后將草圖拉伸(點擊工具欄中"Extrude"按鈕)7mm ,成為一個平板,如圖2所示。國2拉伸生成平板(2 )拉伸生成一組骨架。在ZXplane新建一個草圖，并在對應(yīng)位置處繪制所有角鋼截面草圖(也 先畫一個截面并復(fù)制到其他位置),拉伸(點擊"Extrude”按鈕)至與平板端 部對齊，如圖3所示，拉伸后角鋼將自動與平板

4、連接為一個實體。圖中深綠色 的是角鋼截面草圖。(3 )旋轉(zhuǎn)生成球體。在YZpIane新建一個草圖，在相應(yīng)位置繪制一個半徑為0.5m的圓和一條沿直徑方向的線,修剪為半圓形后將草圖旋轉(zhuǎn)(點擊"Revolve"按鈕)生成個球體如圖4所示。1/12. 概念建模(Surface bodies )(1)生成正方形板(Surface body 1打開Geometry后，在XYplane新建一個草圖，繪制一個5mx5m的 矩形，點擊標題欄上的"Concept" - "SurfacesFrom Sketches"，生成一個 正方向的Surface bo

5、dy ;如圖5所示，圖 5 生成一個 Surface body(2 )在板上印痕。在XZpIane新建一個草圖，繪制一組等距的短線撚后點擊"Extrude"按鈕，在窗口左下角的"Details View"中的"Operation"下拉列表里選擇"Imprint Faces",生成一組印痕，如圖6所示。圖中深綠色線段就是印痕所用的草圖。（3 ）生成角鋼的邊線（Lines I點擊標題欄上的"Concept" - "Lines FromEdges”，在第（2）步生成的一條印痕上添加Line

6、,如圖7所示。圖中藍色線條即為新生成的Line。點擊標題欄上的"Create" - "Body Operation",在窗口左下角的"Details View"中的"Type"下拉列表里選擇"Translate", 在"Direction Deformation,/下拉歹I表里選擇"Coordinates"并在z方向輸入60 ,將剛剛添加的Line向下移動60mm ,如圖8所示。需8向下榜沏口叱點擊標題欄上的"Create" - "Bo

7、dy Operation",在窗口左下角的"Details View"中的"Type"下拉列表里選擇"Translate", 在"Direction Deformation"下拉歹U表里選擇"Coordinates"并在x方向輸入40 ,在 TreserveBodies ?下拉列表選擇"Yes",將剛剛移動的Line向后移動40mm，如圖9所示。點擊標題欄上的"Concept" - "Lines FromPoints"，將圖1

8、0所示的Lines 的定點連接起來。圖中藍色線條為角鋼的全部邊線。菴10 5Ifg Lines的建點(4 )生成角鋼。點擊標題欄上的"Concept" - "Surfaces FromEdges"，順次連接圍成角鋼腹板和面板的邊線,生成一個角鋼的腹板和面板。如圖11所示。圖11生戍個角鋼按照第(3 )步的方法，點擊標題欄上的"Create” - "BodyOpeation",并將第一個角鋼復(fù)制到其他位置,如圖12夠L2甌咻鋤(5 )旋轉(zhuǎn)生成球體。在YZpIane新建一個草圖，在相應(yīng)位置繪制一個半徑為0.5m的圓和一 條沿直徑

9、方向的線,修剪為半圓形后將草圖旋轉(zhuǎn)（點擊"Revolve”按鈕）生成 個球體如圖13所示。圖13吳“生嚨坦體3. 概念建模（Surface bodies和Line Bodies ）按照第3步的第（1） 到（2 ）步，生成帶有印痕的板。點擊標題欄上的"Concept” - "Lines From Edges"，在第（2 ）步生成的一條印痕上添加Lines ,如圖14所示。圖中黃色 線條即為新生成的Lines。圖14生戒lines點擊標題欄上的"Concept" - "Cross Section, - "I Secti

10、on" f 定 義一個對稱截面的I形鋼（腹板60mm ,面板20mm ,板厚5mm 在左邊建 模樹最下面的Bodies下面選擇剛剛添加的Lines,在窗口左下角的 "DetailsView"中的"Cross Section"下拉列表里選擇剛剛定義好的I形鋼。 如圖15所示。圖15定義Lines翹面屬性在YZpIane新建一個草圖，在相應(yīng)位置繪制一個半徑為0.5m的圓和一條沿直徑方向的線，修剪為半圓形后將草圖旋轉(zhuǎn)（點擊"Revolve”按鈕）生成個球體如圖16所示。圖16 SS氏生成球體二般仿真雙擊圖1中"Model"

11、;按鈕，進入碰撞仿真軟件。在窗口左邊的"Project"欄中選擇"Mesh",設(shè)置板的網(wǎng)格尺寸（Size ）為0.1m ,設(shè)置球 體的網(wǎng)尺寸為0.2m ,劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格如圖17所示。圖17劃分網(wǎng)搭在窗口左邊的"Project" 欄中右鍵點擊"Initialconditions"-"Insert" - "Velocity"，設(shè)置球體的速度為5m/s ;在窗口左邊的"Project"欄中右鍵點擊"ExplicitDynamics" - &q

12、uot;Insert" - "Fixed supporC ,設(shè)置板架結(jié)構(gòu)的四周為固定端；單擊"Analysis Settings",設(shè)置"MaxNumberof Cycles"為 100000 或更大，設(shè)置"End Time 為 0.3s", 其他降默認。完成上述步驟后，在窗口左邊的"Project"欄中右鍵點擊"Solution" "Insert",分別添加"TotalDefoimation"、"Equivalent Str

13、ess"和"Equivalent ElasticStrain",右鍵點擊"Solution1 /1Information""Insert",分別添加"Total Energy"、 "InternalEnergy"、"KineticEnergy"和"External Force"。點擊菜單欄的"Solve"開始計算。三、計算成本及計算結(jié)果分析在計算過程中，記錄了計算時間和CPU消耗,發(fā)現(xiàn)Ansys.solvers進程 始終占用2

14、5%的CPU運算資源，第一個模型計算用時600min有余,第二個 和第三個模型計算很快z僅需要50min左右,可見實體模型計算所需時間是其 他兩個模型計算時間的十幾倍，從計算時間成本上看，概念建模比實體建模更具 優(yōu)越性。在計算過程中發(fā)現(xiàn),實體模型網(wǎng)格尺寸稍大一點就會出現(xiàn)能量過大的提 示而無法繼續(xù)計算，概念建模模型卻可以允許很大尺寸的網(wǎng)格，從計算成功率上 看,概念建模更好。圖18 20分別為三個模型計算得到的等效用力云圖，由于碰撞分析是 動態(tài)過程，每個時刻都對應(yīng)一個云圖，這里只列舉三個，從上到下分別為0.05s、 0.1s和0.15s三個時刻的等效應(yīng)力云圖。為了清除地顯示骨架變形，將有骨架 的那

15、面顯示出來。心!8二數(shù)#。卜剛射訪玻獰力Z爲圈 Surface bodies力弋 20 Surface ooGies 司 l ires Boc心嗖棗不苗?i 賢 W » h 7j ate由圖可以看出，三個模型在每個時刻的變形和應(yīng)力分布非常相似，第三個 模型的骨架雖然不顯示應(yīng)力云圖，但其強度已被計入整個結(jié)構(gòu)，且斷裂位置和形 狀與其他兩個模型一樣。由于骨架焊接在鋼板上,造成整個結(jié)構(gòu)在骨架附近截面 突變，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力云圖會在一定程度形成順看骨架方向分布的條紋。 對比三個模型板架破損形狀，發(fā)現(xiàn)后兩個模型相似度極高，這是因為后兩個模型 都是概念建模,網(wǎng)格失效形式相同?？傮w來說,三個模

16、型在碰撞過程中的應(yīng)力分 布和破損變形相差無幾，但計算成本不同。 <»3921三個愎空號刀噪收叭間歷程血線531/1板架結(jié)構(gòu)的破扌員會伴隨看能量的吸收,在碰撞過程中,鋼球的一部分能量 轉(zhuǎn)化為板架結(jié)構(gòu)的動能，一部分能量轉(zhuǎn)化為板架結(jié)構(gòu)的內(nèi)能，動能和內(nèi)能的總和 就是總能量。由于固定了板架的四周，板架不會發(fā)生整體性移動,只能做局部微 小振動,所以板架動能始終不大，只占總能的百分之幾,幾乎可以忽略,所以這 里只分析板架總能量(約等于內(nèi)能)隨時間的變化。圖21為三個模型的總能量 吸收曲線,由圖可知,三個模型的能量吸收曲線高度相似,0.025s之前板架吸 收能量較慢,0.025 0.075s之間板架迅速吸收能量,隨后能量吸收速度減 緩,說明就在這個時刻板架正在迅速變形吸收能量,在碰撞開始0.15s后,板 架能量幾乎維持水平，說明板架破損已經(jīng)基本完成。三條曲線不僅趨勢非常相似, 最終的穩(wěn)定值也極為接近具中第三個模型與第一個模型的能量吸收曲線在碰撞 后期幾乎重合”相差僅為0.6%。"/從"IM一_ *0- 一- .4Ml3S22幣糧力曲找從圖22中可以看出，三個模型的受力曲線也是非常相似，但在結(jié)構(gòu)破損 后(0.035 0.2s )表現(xiàn)出較大的差別,這是受碰撞過程中網(wǎng)格失效算法