ANSYSLSDYNA数值模拟霍普金森压杆试验Word文档下载推荐.docx
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2.1霍普金森压杆实验简介
霍普金森杆实验装置的基本原型最早是由Hopkinson提出的，它可用于测量冲击载荷的脉冲波形。
1949年Kolsky将压杆分成两段，试件置于输入杆和输出杆中间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆轰产生加速脉冲，利用这一装置可测量材料在冲击载荷作用下的应力-应变关系。
Kolsky的工作是一项革命性改进，现代的分离式霍普金森杆都是在其基础上发展而来，所以分离式霍普金森杆也称之为Kolsky杆。
在这半个多世纪的时间里，分离式霍普金森杆实验技术得到了大力的发展，由最初的压缩实验系统发展到拉伸和扭转实验系统甚至是压扭、拉扭复合系统；
其测试材料的种类己由金属发展到非金属，由韧性材料到脆性材料；
从常温实验发展到高、低温实验；
从较低应变率实验发展到较高应变率实验。
另外，由于自由式霍普金森杆技术由于能够实验高过载，已经成为高g值加速度传感器的标准标定实验技术。
2.2ANSYS/LS-DYNA简介
在求解冲击、爆炸问题时，只有采用非线性数值算法才能解决。
广泛使用的有限元程序如LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS和AUTODYN等专长于求解非线性问题。
DYTRAN可用于爆炸、高速侵彻、船体撞击毁损等分析领域，但是在处理冲击问题的接触算法上远不如LS-DYNA全面。
ABAQUS可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，但是对爆炸和冲击过程的模拟相对不足。
AUTODYN可用于处理几何和材料大变形的非线性瞬态动力分析数值模拟，尤其在弹药工程领域应用广泛，可对聚能射流现象、破甲穿甲弹侵彻靶板的作用机理进行仿真。
LS-DYNA作为世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题,特别适合于求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固藕合问题。
1996LSTC公司与ANSYS公司合作推出ANSYS/LS-DYNA，大大增强了LS-DYNA的分析能力。
ANSYS/LS-DYNA程序是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）程序。
它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；
以显式求解为主，兼有隐式求解功能；
以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；
以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算）；
军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。
运用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟的一般步骤包括:
前处理、求解及后处理。
前处理工作主要包括：
算法及有限元单元的选择、材料模型的确定、模型的建立、网格的划分、接触的定义、约束及载荷的施加等步骤，其中前处理工作由ANSYS/PREP7完成。
前处理操作完成后，系统将生成相应的K文件。
此时可根据数值模拟的实际情况来决定是否修改K文件内容。
由于K文件为二进制文件，需采用文本编辑器将K文件打一开、编辑。
K文件修改完毕后，调用LS-DYNA970版求解器进行求解，生成图形文件和时间历程文件。
求解过程结束后，启动后处理程序LS-PREPOST。
LS-PREPOST可读取LS-DYNA的计算结果d3Plot文件，进行计算数据的整理以及二次运算。
3仿真材料及模型尺寸的选择
分离式霍普金森压杆实验包括子弹、输入杆、输出杆及试件。
本仿真采用钨钢作为子弹、输入杆以及输出杆的材料，试件选用5A06-C铝。
数值模拟的模型尺寸如表3.1，数值模拟材料参数如表3.2，表3.3。
表3.1数值模拟的模型尺寸
模型
长度l/m
外径
钨钢子弹
0.2
钨钢输入杆
1
钨钢输出杆
0.8
5A06-C铝试件
表3.2子弹、输入杆、输出杆的材料参数和模型
材料
密度
杨氏模量
E/Pa
泊松比
切线模量
/Pa
失效模量
7678
2.1E11
0.29
-
Isotropic
表3.3试件的材料参数和模型
杨氏模量E/Pa
A/Mpa
B/Mpa
n
c
m
2680
7.9E10
0.33
235.4
622.3
0.58
0.174
1.05
接上表：
EfP1SR
SpecificHeat
FailStress
RoomTemp（K）
MeltTemp（K）
1e-6
4.77e-6
-9
294
1050
Johnson
-Cook
上述3个表中采用的是kg-m-s单位制，在建模过程中采用的是cm-g-us单位制，因此需进行单位换算。
4霍普金森压杆实验LS-DYNA有限元模型建立
4.1创建单元及材料类型
首先选择单元类型，由于霍普金森压杆实验中子弹、输入杆、输出杆及试件均为圆柱体且共轴，因此，有限元模型单元类型选用三维实体SOLID164单元，并采用拉格朗日算法。
由于该实验过程时间短，为了方便输入参数以及仿真，本仿真采用cm-g-us单位制进行建模。
因此，在建模的过程中，对单位进行了换算，将通用的kg-m-s单位制参数换算成cm-g-us单位制。
另外，为了防止模型尺寸对数值模拟结果的影响，数值模拟过程中实体建模采用全比例尺寸。
为了节省数值计算工作量，采用给弹丸赋值初速度的办法忽略了炮膛和支架，并通过约束输出杆末端的办法忽略吸收杆，同时圆柱体的对称结构，建立了1/4三维实体模型，在后处理的时候还原成圆柱体。
4.2划分网格
在划分网格前，需要给实体模型赋予网格属性，即给实体模型选择之前创建的材料类型和单元类型。
在数值模拟过程中，网格密度太小会产生虚波现象，网格密度太大，对改善波形起的作用不是很大，相反会耗费大量机时。
因此，应该给实体模型选择合适的网格密度。
本仿真选择映射式网格划分有限元模型，并对前人的结果进行分析，不同网格密度的计算结果进行比较，设置了合适的网格数量。
4.3定义接触
LS-DYNA程序中处理接触-碰撞界面主要采用三种不同的算法，即：
节点约束法、对称罚函数法和分配参数法。
在此，我采用了最常用的对称罚函数法。
对称罚函数法中接触刚度值K是个重要参数，根据应力波相关知识，弹性波在两个截面相等、波阻抗相同以及互相接触的弹性杆中传播时，应力波在杆的接触处无反射。
这里选择接触刚度值为1.2，此时入射杆上的反射波很微弱。
满足要求。
在数值模拟中，子弹与输入杆之间的接触类型为表面-表面自动接触类型，子弹为接触面，输入杆为目标面。
输入杆与试件之间的接触类型为节点-表面自动接触类型，试件与输出杆之间的接触类型也为节点-表面自动接触类型，由于试件的网格密度较大，所以试件为接触面，输入杆和输出杆为目标面。
4.4定义对称和子弹速度
由于采用了1/4三维实体模型，所以需要对对称面才用对称约束。
另外，由于省略了吸收杆，因此对输出杆末端进行了约束，建立了其z轴无位移约束，x轴和y轴方向的平动约束和转动约束。
另外，前处理中定义了子弹的速度，并可以通过修改K文件中的*INITIAL-VELOCITY-GENRATION关键字来修改子弹的速度，从而进行不同速度的比较。
4.5定义求解条件
为了求得实验的完整结果，所定义的求解时间应略大于应力波在压杆中完整传播一个来回的时间。
通过查询资料，求解时间设为600us，最终结果达到了预想的要求。
5实验结果分析
图5.1分离式霍普金森压杆LS-DYNA模型图
如图5.1所示，改图为分离式霍普金森压杆LS-DYNA模型，从左到右依次是输出杆、试件、输入杆以及子弹。
通过LS-DYNA建立模型后，输入相关求解条件，然后生成K文件，用LS-DYNA求解器求解，并获得名为3dplot的文件，然后通过LS-DYNA后处理软件LS-Prepost软件分析求解结果。
图5.2子弹速度为10m/s时试件靠近输入杆一侧的应变
弹性波速是材料的基本参数，它可由材料的弹性模量和密度计算得出。
如图5.2所示，当t=184.94us时，试件开始有应变，说明弹性波已经通过输入杆进入试件了，可以计算出数值模拟中弹性波在压杆中的传播速度
=5407.16m/s
图5.3不同子弹速度下输入杆中点处应变
图5.4不同子弹速度下输入杆中点处应力
图5.5不同子弹速度下输入杆中点出加速度
在分离式霍普金森杆数值模拟中，不同子弹速度下，输入杆上应变、应力以及加速度与时间关系如图5.3、图5.4、图5.5所示。
如图5.3，图5.4所示，可以发现：
（1）随着子弹速度的增大，入射波应力幅值随之增大；
（2）随着子弹速度的增大，入射波的第一峰值点在时间域内的位置不发生变化；
（3）入射波近似为矩形波，入射波在刚开始稍有振荡现象，表明波形弥散现象存在，但不是很严重。
另外，当子弹速度为10m/s时，入射杆的应力约为200MPa，入射杆的应变为5200个微应变，入射波的脉宽为100us左右。
如图5.,5可以看出，输入杆中点处的过载加速度值随着子弹速度的增大而增大，过载加速度脉宽不随子弹速度的增大而发生变化。
另外，随着子弹速度的增大，入射波的第一峰值点在时间域内的位置不发生变化，再结合图5.3，图5.4可以得出结论是波在输入杆中的传播速度不随着子弹速度的变化而变化。
图5.6不同子弹速度下输出杆中点处应变
图5.7不同子弹速度下输出杆中点处应力
图5.6，图5.7是不同子弹速度下输出杆中点处应变图和应力图，从图可以发现，输出杆波形具有类似输入杆的三个特点。
但是，输出杆波形弥散较为严重，说明所取的网格密度太稀疏了。
6结论
本次作业我完成了用LS-DYNA数值模拟分离式霍普金森压杆实验，通过查询相关资料，选择相关材料，设计了输入杆、输出杆、子弹的有限元模型，并选用Isotropic模型作为它们的材料本构模型。
选用5A06-铝作为试件进行了三维数值模拟，5A06-C铝本构模型选用Johnson-Cook模型，获得了相关的实验数据，以及对实验数据进行了一定的分析。
在做本次作业之前，我对LS-DYNA的了解为零。
通过本次作业，我不但了解了LS-DYNA软件，并能够进行简单地显示动力学仿真，以及用Ls-Prepost进行后处理。
虽然在过程中遇到有很多问题，但是我独立地完成的本次作业。
在这几周的学习过程中，杜老师给予了我们细心地教导，在此衷心地感谢杜老师。
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