有限元分析報告.doc

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有限元仿真分析實驗 一、實驗目的 通過剛性球與薄板的碰撞仿真實驗，學習有限元方法的基本思想與建模仿真的實現過程，并以此實踐相關有限元軟件的使用方法。本實驗使用HyperMesh軟件進行建模、網格劃分和建立約束及載荷條件，然后使用LS-DYNA軟件進行求解計算和結果后處理，計算出鋼球與金屬板相撞時的運動和受力情況，并對結果進行可視化。 二、實驗軟件 HyperMesh、LS-DYNA 三、實驗基本原理 本實驗模擬剛性球撞擊薄板的運動和受力情況。仿真分析主要可分為數據前處理、求解計算和結果后處理三個過程。前處理階段任務包括：建立分析結構的幾何模型，劃分網格、建立計算模型，確定并施加邊界條件。 四、實驗步驟 1、按照點－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 (0,0,0)建立臨時節(jié)點，以臨時節(jié)點為圓心，畫半徑為5mm的球體。 （2）建立板的模型：在tool-translate面板下node選擇臨時節(jié)點，選擇Y-axis,magnitude輸入5.5，然后點擊translate+，return;再在2D－planes-square 面板上選擇Y-axis,B選擇上一步移下來的那個節(jié)點，surface only ,size=30。 2、畫網格 （1）畫球的網格：以球模型為當前part，在2D－atuomesh面板下，surfs選擇前面建好的球面，element size設為0.5mm，mesh type選擇quads，選擇elems to current comp,first order， interactive。 （2）畫板的網格：做法和設置同上。 3、對球和板賦材料和截面屬性 （1）給球賦材料屬性：在materials面板內選擇20號剛體，設置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設置為0.1，QR設為0。 （3）給板賦材料屬性：材料選擇MATL1，其他參數：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設為0.2。其他參數:SHRE為8.333-01，QR為0，T1為0.2。 （5）給板設置沙漏控制：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)點分別建成4個set。 （2）建立一個load collector。 （3）Analysis－constraints面板中，設置SIZE為1，nodes通過by sets選擇set_1、set_2、set_3、set_4，然后點擊creat即可，邊界條件加載完畢。 5、建立載荷條件（給球一個3mm的位移） （1）建立一個plot: post－xy plots-plots-creat plot,然后點擊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3mm的沿y正方向的位移：card image設為PrcrRgd,DOF為2,VAD為2,LCID為1,SF為1,option選擇Rigid。 6、接觸處理 （1）做兩個用于接觸的segment：在Analysis-set_segment面板中，Card image選擇setSegment，elems選擇球這個part。重復操作對平板創(chuàng)建segment。要同時保證球的setsegment的方向朝外，plane的setsegment方向朝上。 （2）建立接觸： ①對稱接觸：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。點擊edit后，設置FS為10，FD為10，SFS為100，SFM為100，Automatic一項勾選OneWay。 ②非對稱接觸：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。點擊edit后，設置FS為10，FD為10，SFS為100，SFM為100，Automatic一項勾選smooth。 7、定義控制卡片 在Analysis-control cards面板中， (1)選擇Control_Enegy,將hgen設置為2； (2) 選擇Control_Termination,將ENDTIM設為0.0001s; (3) 選擇Control_Time_step,將DTINIT設為1*10-6s，將TSSFAC設置為0.6; (4) 選擇DATABASE_BINARY_D3PLOT,將DT設置為5*10-6; (5) 選擇DATABASE_OPTION，將MATSUM設置為1*10-6，將RCFORC設置為1*10-6。 8、刪除臨時節(jié)點 在geom中選擇temp nodes，點擊node，選擇all，然后點擊clear。 9、節(jié)點重新排號。 tool中選擇renumber，然后選擇all，最后點擊renumber。 10、將文件導出成KEY文件。 11、生成的KEY文件導入LS-DYNA中，并運行。 12、打開后處理程序Ls-Prepost，點擊file-open-ls-dyna binary plot，選擇計算得到的d3plot結果。 13、點擊下方運行按鈕，觀看碰撞動畫。選擇右邊的ASCII按鈕，選擇rcforc后，點擊左邊的Load按鈕，再選擇Sl或者Ma，然后選擇最下方的Resultant force,最后點擊Plot，觀看沖擊力隨時間的變化曲線。 五、實驗結果 1、對稱接觸情況 對稱接觸定義下，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間歷程如圖6所示。 圖6 2、非對稱接觸情況 非對稱接觸定義下，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間歷程如圖12所示。 圖12 六、實驗總結 根據對稱接觸定義與非對稱接觸定義的對比實驗計算過程和實驗結果可以看出，對稱接觸定義下剛性球撞擊薄板的沖擊現象更加明顯，接觸力更大，計算所花費的時間也更長，這與理論上雙接觸面與單接觸面的結論是相同的。