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有限元仿真分析實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 通過剛性球與薄板的碰撞仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)有限元方法的基本思想與建模仿真的實(shí)現(xiàn)過程，并以此實(shí)踐相關(guān)有限元軟件的使用方法。本實(shí)驗(yàn)使用HyperMesh軟件進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分和建立約束及載荷條件，然后使用LS-DYNA軟件進(jìn)行求解計(jì)算和結(jié)果后處理，計(jì)算出鋼球與金屬板相撞時(shí)的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化。 二、實(shí)驗(yàn)軟件 HyperMesh、LS-DYNA 三、實(shí)驗(yàn)基本原理 本實(shí)驗(yàn)?zāi)M剛性球撞擊薄板的運(yùn)動(dòng)和受力情況。仿真分析主要可分為數(shù)據(jù)前處理、求解計(jì)算和結(jié)果后處理三個(gè)過程。前處理階段任務(wù)包括：建立分析結(jié)構(gòu)的幾何模型，劃分網(wǎng)格、建立計(jì)算模型，確定并施加邊界條件。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1、按照點(diǎn)－線－面的順序創(chuàng)建球和板的幾何模型 （1）建立球的模型：在坐標(biāo) (0,0,0)建立臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，以臨時(shí)節(jié)點(diǎn)為圓心，畫半徑為5mm的球體。 （2）建立板的模型：在tool-translate面板下node選擇臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，選擇Y-axis,magnitude輸入5.5，然后點(diǎn)擊translate+，return;再在2D－planes-square 面板上選擇Y-axis,B選擇上一步移下來(lái)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)，surface only ,size=30。 2、畫網(wǎng)格 （1）畫球的網(wǎng)格：以球模型為當(dāng)前part，在2D－atuomesh面板下，surfs選擇前面建好的球面，element size設(shè)為0.5mm，mesh type選擇quads，選擇elems to current comp,first order， interactive。 （2）畫板的網(wǎng)格：做法和設(shè)置同上。 3、對(duì)球和板賦材料和截面屬性 （1）給球賦材料屬性：在materials面板內(nèi)選擇20號(hào)剛體，設(shè)置Rho為2.000e-08,E為200000,NU為0.30。 （2）給球賦截面屬性：屬性選擇SectShll,thickness設(shè)置為0.1，QR設(shè)為0。 （3）給板賦材料屬性：材料選擇MATL1，其他參數(shù)：Rho為2.000e-08,E為100000,Nu為0.30，選擇Do Not Export。 （4）給板賦截面屬性：截面選擇SectShll，thickness設(shè)為0.2。其他參數(shù):SHRE為8.333-01，QR為0，T1為0.2。 （5）給板設(shè)置沙漏控制：在Properties-Create面板下Card image選擇HourGlass，IHQ為4，QM為0.100。更新平板。 4、加載邊界條件 （1）將板上最外面的四行節(jié)點(diǎn)分別建成4個(gè)set。 （2）建立一個(gè)load collector。 （3）Analysis－constraints面板中，設(shè)置SIZE為1，nodes通過by sets選擇set_1、set_2、set_3、set_4，然后點(diǎn)擊creat即可，邊界條件加載完畢。 5、建立載荷條件（給球一個(gè)3mm的位移） （1）建立一個(gè)plot: post－xy plots-plots-creat plot,然后點(diǎn)擊return; (2)在post-xy plots-edit curves面板中輸入X{0，0，0.0001},Y{0,3}。 (3)給剛性球一個(gè)3mm的沿y正方向的位移：card image設(shè)為PrcrRgd,DOF為2,VAD為2,LCID為1,SF為1,option選擇Rigid。 6、接觸處理 （1）做兩個(gè)用于接觸的segment：在Analysis-set_segment面板中，Card image選擇setSegment，elems選擇球這個(gè)part。重復(fù)操作對(duì)平板創(chuàng)建segment。要同時(shí)保證球的setsegment的方向朝外，plane的setsegment方向朝上。 （2）建立接觸： ①對(duì)稱接觸：在Analysis-interfaces面板中,type選擇SurfaceToSuface,Card image選擇SingleSurface。master的contactsurfs選擇球的setgment;slave的contactsurfs選擇平板的setgment。點(diǎn)擊edit后，設(shè)置FS為10，F(xiàn)D為10，SFS為100，SFM為100，Automatic一項(xiàng)勾選OneWay。 ②非對(duì)稱接觸：在Analysis-interfaces面板中,type選擇SingleSurface,Card image選擇SingleSurface。master的contactsurfs選擇球的setgment;slave的contactsurfs選擇平板的setgment。點(diǎn)擊edit后，設(shè)置FS為10，F(xiàn)D為10，SFS為100，SFM為100，Automatic一項(xiàng)勾選smooth。 7、定義控制卡片 在Analysis-control cards面板中， (1)選擇Control_Enegy,將hgen設(shè)置為2； (2) 選擇Control_Termination,將ENDTIM設(shè)為0.0001s; (3) 選擇Control_Time_step,將DTINIT設(shè)為1*10-6s，將TSSFAC設(shè)置為0.6; (4) 選擇DATABASE_BINARY_D3PLOT,將DT設(shè)置為5*10-6; (5) 選擇DATABASE_OPTION，將MATSUM設(shè)置為1*10-6，將RCFORC設(shè)置為1*10-6。 8、刪除臨時(shí)節(jié)點(diǎn) 在geom中選擇temp nodes，點(diǎn)擊node，選擇all，然后點(diǎn)擊clear。 9、節(jié)點(diǎn)重新排號(hào)。 tool中選擇renumber，然后選擇all，最后點(diǎn)擊renumber。 10、將文件導(dǎo)出成KEY文件。 11、生成的KEY文件導(dǎo)入LS-DYNA中，并運(yùn)行。 12、打開后處理程序Ls-Prepost，點(diǎn)擊file-open-ls-dyna binary plot，選擇計(jì)算得到的d3plot結(jié)果。 13、點(diǎn)擊下方運(yùn)行按鈕，觀看碰撞動(dòng)畫。選擇右邊的ASCII按鈕，選擇rcforc后，點(diǎn)擊左邊的Load按鈕，再選擇Sl或者M(jìn)a，然后選擇最下方的Resultant force,最后點(diǎn)擊Plot，觀看沖擊力隨時(shí)間的變化曲線。 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1、對(duì)稱接觸情況 對(duì)稱接觸定義下，沖擊過程中薄板的彈塑性變形過程如圖1至圖5所示。 圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 沖擊過程中剛性球與薄板層接觸力時(shí)間歷程如圖6所示。 圖6 2、非對(duì)稱接觸情況 非對(duì)稱接觸定義下，沖擊過程中薄板的彈塑性變形過程如圖7至圖11所示。 圖7 圖8 圖9 圖10 圖11 沖擊過程中剛性球與薄板層接觸力時(shí)間歷程如圖12所示。 圖12 六、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 根據(jù)對(duì)稱接觸定義與非對(duì)稱接觸定義的對(duì)比實(shí)驗(yàn)計(jì)算過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)稱接觸定義下剛性球撞擊薄板的沖擊現(xiàn)象更加明顯，接觸力更大，計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間也更長(zhǎng)，這與理論上雙接觸面與單接觸面的結(jié)論是相同的。