剛性小球高速沖擊陶瓷高腳杯仿真

鋮君之

2021年6月20日 13:04

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1問題的提出

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沖擊破壞程度的影響，本文選擇具有對稱結構的高腳杯進行仿真分析，高腳杯的內外杯壁厚度及造型均不相同，當物體以一定速度沖擊杯壁時，杯壁本身可以形成對比分析。本文采用ANSYS LSDYNA進行了剛性小球高速、低速沖擊陶瓷高腳杯仿真，對比探討了沖擊速度對破壞程度的影響。

2有限元分析

（1）NX 10.0進行高腳杯的幾何建模

由于高腳杯的曲面造型較為復雜，同時杯底與杯口設有倒角，因此幾何模型用專業建模軟件建立，本文采用NX 10.0建立的高腳杯幾何模型，其幾何設定的幾何參數來自市場常用的高腳杯數據如圖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進行剛性球及沖擊距離的設定

高腳杯的幾何模型在NX 10.0建立完成后，將模型導出成文本文件保存后在WB中打開，用DM進行剛性球的建立與沖擊距離的設定，這里分開建模的好處是便于沖擊距離的設定與后期小球直徑與沖擊距離的修改調整，不必來回切換建模軟件。剛性球的半徑設為9mm，沖擊距離設為0.1m。整個沖擊系統建模如圖2-3所示。

圖2-3沖擊系統模型

（3）ANSYS APDL進行部分前處理

在WB中完成沖擊系統的建模后，同樣將文件保存為文本格式導入到ANSYS APDL中進行前處理。選擇ANSYS LSDYNA仿真環境，首先設定單元為顯示3D Solid164單元，再設定小球為剛體材料，高腳杯任意選擇一種彈性材料（高腳杯是陶瓷材料，用UE編輯器直接修改關鍵字為*MAT_110）后進行網格劃分設定，適當試錯調試網格大小后的網格劃分如圖2-4所示。完成網格劃分之后進行仿真時間，能量，沙漏控制（一般為默認）等分析設置，設置導出文件為LSDYNA的K文件保存至指定文件夾完成部分前處理操作。對于接觸、邊界條件、載荷曲線設置ANSYS環境內設置相對LSPP較為繁瑣，故集中在LSPP中處理。

圖2-4模型的網格劃分

（4）LSPP中進行剩下前處理（接觸、約束、載荷、邊界條件、SPH建模）

為了避免小球高速沖擊高腳杯引起的網格畸變。大變形而導致計算終止的問題，首先需要對有限網格的高腳杯進行SPH粒子轉化。（本文采用SPH是經過多次仿真調試才選定的結果，初始采用的有限網格的高腳杯算例在計算過程中經常異常終止，多次調試參數后仍然出現此種情況，故將高腳杯改為SPH模型，算例終于得以正常運算）SPH建立較為簡單，使用SPHGEN命令直接轉化有限網格的高腳杯幾何體，然后刪除建立的高腳杯網格PART即可。在完成SPH轉化，設定SPH單元，control sph后，設定接觸為自動點面接觸，SPH模型底部設為約束SPC_SET,對于剛性球的設置，在設定球體的材料時就可以直接限定小球的自由度，保留一個Z向的平動自由度。最后是載荷曲線的設置，設定兩條載荷曲線，分別對應高加速、低減速的沖擊過程。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

本質上整個建模分析過程都可以通過UE編輯器直接編寫關鍵字完成。這里只是通過UE編輯器完成一個材料本構關鍵字的編輯替換工作。將*ELASTIC本構替換為*MAT_110號陶瓷本構。

（6）求解

用LSDYNA Solver求解K文件，生成的D3PLOT文件保存在預設設定的文件夾中。應當注意每次求解都應該設定一個文件夾保存，避免D3PLOT文件的前后覆蓋。

3結果分析

3.1杯壁破壞狀態分析

小球依次穿過杯壁的A面外側、A面內側、B面內側、B面外側，如圖2-6所示。在t=0.174ms、0.182ms、0.223ms、0.231ms時杯壁的破壞程度（損傷圖如圖2-7所示）分析：A面外側損傷小，A面內側破碎后損傷最為嚴重，邊緣損傷擴散明顯，而B面內外兩側破碎后損傷基本沒有區別，且損傷區域比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面內外兩側損傷差距明顯，而B面的曲面造型是凹下去的，因此B面內外兩側損傷差距不明顯。