1問(wèn)題的提出

眾所周知，沖擊速度影響被沖擊物體破壞的程度。但其實(shí)被沖擊物體的表面造型也影響著沖擊的破壞程度。為探究物體表面造型對(duì)沖擊破壞程度的影響，本文選擇具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的高腳杯進(jìn)行仿真分析，高腳杯的內(nèi)外杯壁厚度及造型均不相同，當(dāng)物體以一定速度沖擊杯壁時(shí)，杯壁本身可以形成對(duì)比分析。本文采用ANSYS LSDYNA進(jìn)行了剛性小球高速、低速?zèng)_擊陶瓷高腳杯仿真，對(duì)比探討了沖擊速度對(duì)破壞程度的影響。

2有限元分析

（1）NX 10.0進(jìn)行高腳杯的幾何建模

由于高腳杯的曲面造型較為復(fù)雜，同時(shí)杯底與杯口設(shè)有倒角，因此幾何模型用專業(yè)建模軟件建立，本文采用NX 10.0建立的高腳杯幾何模型，其幾何設(shè)定的幾何參數(shù)來(lái)自市場(chǎng)常用的高腳杯數(shù)據(jù)如圖2-1所示，高腳杯渲染圖如圖2-2所示。

圖2-1高腳杯建模圖

圖2-2高腳杯渲染圖

（2）WB進(jìn)行剛性球及沖擊距離的設(shè)定

高腳杯的幾何模型在NX 10.0建立完成后，將模型導(dǎo)出成文本文件保存后在WB中打開(kāi)，用DM進(jìn)行剛性球的建立與沖擊距離的設(shè)定，這里分開(kāi)建模的好處是便于沖擊距離的設(shè)定與后期小球直徑與沖擊距離的修改調(diào)整，不必來(lái)回切換建模軟件。剛性球的半徑設(shè)為9mm，沖擊距離設(shè)為0.1m。整個(gè)沖擊系統(tǒng)建模如圖2-3所示。

圖2-3沖擊系統(tǒng)模型

（3）ANSYS APDL進(jìn)行部分前處理

在WB中完成沖擊系統(tǒng)的建模后，同樣將文件保存為文本格式導(dǎo)入到ANSYS APDL中進(jìn)行前處理。選擇ANSYS LSDYNA仿真環(huán)境，首先設(shè)定單元為顯示3D Solid164單元，再設(shè)定小球?yàn)閯傮w材料，高腳杯任意選擇一種彈性材料（高腳杯是陶瓷材料，用UE編輯器直接修改關(guān)鍵字為*MAT_110）后進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)定，適當(dāng)試錯(cuò)調(diào)試網(wǎng)格大小后的網(wǎng)格劃分如圖2-4所示。完成網(wǎng)格劃分之后進(jìn)行仿真時(shí)間，能量，沙漏控制（一般為默認(rèn)）等分析設(shè)置，設(shè)置導(dǎo)出文件為L(zhǎng)SDYNA的K文件保存至指定文件夾完成部分前處理操作。對(duì)于接觸、邊界條件、載荷曲線設(shè)置ANSYS環(huán)境內(nèi)設(shè)置相對(duì)LSPP較為繁瑣，故集中在LSPP中處理。

圖2-4模型的網(wǎng)格劃分

（4）LSPP中進(jìn)行剩下前處理（接觸、約束、載荷、邊界條件、SPH建模）

為了避免小球高速?zèng)_擊高腳杯引起的網(wǎng)格畸變。大變形而導(dǎo)致計(jì)算終止的問(wèn)題，首先需要對(duì)有限網(wǎng)格的高腳杯進(jìn)行SPH粒子轉(zhuǎn)化。（本文采用SPH是經(jīng)過(guò)多次仿真調(diào)試才選定的結(jié)果，初始采用的有限網(wǎng)格的高腳杯算例在計(jì)算過(guò)程中經(jīng)常異常終止，多次調(diào)試參數(shù)后仍然出現(xiàn)此種情況，故將高腳杯改為SPH模型，算例終于得以正常運(yùn)算）SPH建立較為簡(jiǎn)單，使用SPHGEN命令直接轉(zhuǎn)化有限網(wǎng)格的高腳杯幾何體，然后刪除建立的高腳杯網(wǎng)格PART即可。在完成SPH轉(zhuǎn)化，設(shè)定SPH單元，control sph后，設(shè)定接觸為自動(dòng)點(diǎn)面接觸，SPH模型底部設(shè)為約束SPC_SET,對(duì)于剛性球的設(shè)置，在設(shè)定球體的材料時(shí)就可以直接限定小球的自由度，保留一個(gè)Z向的平動(dòng)自由度。最后是載荷曲線的設(shè)置，設(shè)定兩條載荷曲線，分別對(duì)應(yīng)高加速、低減速的沖擊過(guò)程。兩條載荷曲線如圖2-5所示。

圖2-5載荷曲線（a）加速曲線（b）減速曲線

（5）UE修改K文件

本質(zhì)上整個(gè)建模分析過(guò)程都可以通過(guò)UE編輯器直接編寫(xiě)關(guān)鍵字完成。這里只是通過(guò)UE編輯器完成一個(gè)材料本構(gòu)關(guān)鍵字的編輯替換工作。將*ELASTIC本構(gòu)替換為*MAT_110號(hào)陶瓷本構(gòu)。

（6）求解

用LSDYNA Solver求解K文件，生成的D3PLOT文件保存在預(yù)設(shè)設(shè)定的文件夾中。應(yīng)當(dāng)注意每次求解都應(yīng)該設(shè)定一個(gè)文件夾保存，避免D3PLOT文件的前后覆蓋。

3結(jié)果分析

3.1杯壁破壞狀態(tài)分析

小球依次穿過(guò)杯壁的A面外側(cè)、A面內(nèi)側(cè)、B面內(nèi)側(cè)、B面外側(cè)，如圖2-6所示。在t=0.174ms、0.182ms、0.223ms、0.231ms時(shí)杯壁的破壞程度（損傷圖如圖2-7所示）分析：A面外側(cè)損傷小，A面內(nèi)側(cè)破碎后損傷最為嚴(yán)重，邊緣損傷擴(kuò)散明顯，而B(niǎo)面內(nèi)外兩側(cè)破碎后損傷基本沒(méi)有區(qū)別，且損傷區(qū)域比A面小。這是由于剛性球首先沖擊A面吸收了大部分動(dòng)能，因此沖擊速度降低，B面的損傷因此比A面小；另外杯壁A面的曲面造型是凸型，因此A面內(nèi)外兩側(cè)損傷差距明顯，而B(niǎo)面的曲面造型是凹下去的，因此B面內(nèi)外兩側(cè)損傷差距不明顯。

圖2-6杯壁的A、B面

圖2-7不同時(shí)刻杯壁的破壞程度

3.2杯體的動(dòng)能內(nèi)能分析

杯體內(nèi)能與吸收球的動(dòng)能變化如圖2-8所示。能量圖明顯出現(xiàn)3個(gè)波峰，這與上述分析相同，由于杯壁的特殊曲面造型，并不會(huì)出現(xiàn)4個(gè)波峰的情況。

圖2-8能量變化圖

3.3沖擊接觸面出的作用力分析

沖擊接觸面出的作用反力與能量的變化趨勢(shì)基本相同，在t=0.174ms、0.182ms、0.231ms 3個(gè)時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)3組波峰，如圖2-9所示。

圖2-9 rcforc作用力

4結(jié)論

（1）杯壁是曲面造型，杯壁本身的幾何形狀嚴(yán)重制約著杯壁的沖擊破壞程度。本文仿真結(jié)果表明：杯壁設(shè)置成B面的“凹型”可以一定程度減小有效沖擊破碎損傷程度，一定程度避免了碎渣飛濺傷人。

（2）用SPH建立杯體可以避免網(wǎng)格大變形導(dǎo)致的計(jì)算終止問(wèn)題，在模擬高速?zèng)_擊中SPH算法很適用。