不同沖擊速度及沖擊方式對(duì)薄壁不銹鋼鋼管材料沖擊的影響仿真

1仿真背景

眾所周知，基于各種動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行沖擊與跌落的仿真實(shí)驗(yàn)一直備受重視。而對(duì)于薄壁鋼管材料的沖擊仿真實(shí)驗(yàn)由于沖擊速度與沖擊方式不同，便會(huì)帶來(lái)差異化結(jié)果。因此，針對(duì)不同的工況，需要合理采取不同的沖擊方式設(shè)置，以期得到合理的結(jié)果。本文旨在建立恒定式?jīng)_擊速度、正弦式交變沖擊速度、三角波式?jīng)_擊速度、鋸齒波沖擊速度及矩形波沖擊速度5種不同沖擊速度及方式對(duì)鋼管的沖擊仿真模型，為沖擊仿真實(shí)驗(yàn)提供理論參考。

2模型建立

薄壁鋼管的截面是矩形的對(duì)稱面，因此本文建立矩形薄壁鋼管的四分之一軸對(duì)稱模型，薄壁鋼管采用shell單元，不銹鋼材料選用各向同性材料本構(gòu)，設(shè)置沙漏能以控制整體的能量平衡設(shè)置。不銹鋼的四分之一模型在ANSYS/LSDYNA中建立，模型的前處理也在其中完成，在完成前處理后生成K文件，分別在LSPP中進(jìn)行后處理及載荷曲線的設(shè)置。不銹管的四分之一模型如圖1所示。

圖1不銹管的四分之一模型設(shè)置

3沖擊速度的影響

在分析沖擊方式對(duì)不銹管變形的影響前，需要考慮沖擊速度對(duì)其影響。不同的沖擊速度勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致的不同的變形。因此本文首先建立了三種不同的工況，沖擊速度分別為50m/s、100m/s、150m/s。從較低速度到一個(gè)較高速度的過(guò)渡來(lái)分析不銹管的變形情況。圖2給出了3種不同工況下沖擊完成后不銹管的變形情況?？梢钥闯觯簺_擊速度小不銹管的變形小，沖擊速度的增大會(huì)導(dǎo)致變形增大，在大沖擊下不銹管的變形程度可以看成是小沖擊下變形的累積。因此可以得出沖擊速度是造成不銹管變形的主要原因，不同的沖擊速度大小可以看成是小沖擊速度的不斷累積對(duì)不銹管的破壞。

圖2不同工況下沖擊完成后不銹管的變形情況

4幾種不同的沖擊方式

沖擊方式的定義是通過(guò)定義不同的載荷曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)實(shí)際工況我們知道沖擊方式可分類恒定載荷沖擊（恒定速度）、變化速度沖擊。而變化速度沖擊常用的有、三角波沖擊、矩形波沖擊3種。正弦式交變沖擊在振動(dòng)加工中極為常見，通過(guò)控制不同的振幅和頻率能夠取得最優(yōu)的加工情況，三角波及矩形波沖擊常見于激光熔覆加工中，表1給出了在LSPP軟件中定義的5種沖擊方式（*define curve）。

表1  定義的5種沖擊方式

5結(jié)果分析

5.1應(yīng)力傳遞

對(duì)于恒定速度沖擊，本文前半部分對(duì)沖擊速度的影響中就已經(jīng)建立過(guò)模型，將沖擊速度載荷曲線為恒定150m/s賦予不銹管得到的在沖擊完成時(shí)刻的應(yīng)力等值線圖如圖3所示。為了避免沖擊速度的影響，對(duì)于上述五種沖擊方式的分析，均是在恒定150m/s下進(jìn)行的。本文此節(jié)以恒定速度下不銹管變形及應(yīng)力云圖為對(duì)照，分析另外4中沖擊方式對(duì)其影響。4種不同沖擊方式如圖4所示。分析：不同沖擊方式導(dǎo)致的不銹管嚴(yán)重變形的位置不同，正弦信號(hào)沖擊、鋸齒波信號(hào)沖擊、三角波信號(hào)沖擊及矩形波信號(hào)沖擊導(dǎo)致的薄壁不銹管發(fā)生的最大應(yīng)力處均位于薄壁管的上部分，而恒定信號(hào)沖擊位于底部累積；這是由于除去恒定信號(hào)沖擊，另外4種都是周期性信號(hào)沖擊，通過(guò)載荷曲線可以計(jì)算沖擊的總位移很小，因此沖擊最大變形處位于薄壁鋼管的上部分。此外通過(guò)云圖發(fā)現(xiàn)：薄壁管最大應(yīng)力值出現(xiàn)的順序依次為正弦信號(hào)沖擊＞鋸齒波信號(hào)沖擊＞恒定信號(hào)沖擊＞矩形波信號(hào)沖擊＞三角波信號(hào)沖擊。這是由于正弦信號(hào)的加速度與頻率的二次方成正比，不斷交變的正弦信號(hào)不斷沖擊薄壁面使得不銹管在小面積處產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，因此正弦信號(hào)沖擊對(duì)不銹管薄壁產(chǎn)生的破壞最大。對(duì)于矩形波信號(hào)，其速度為常數(shù)，因此矩形波信號(hào)的加速度為0，所產(chǎn)生的沖擊最小。

圖3 恒定速度沖擊下的應(yīng)力等值線圖

圖4 不同沖擊方式影響（A）正弦信號(hào)沖擊（B）鋸齒波信號(hào)沖擊（C）三角波信號(hào)沖擊（D）矩形波沖擊信號(hào)

5.2最大等效應(yīng)力時(shí)程曲線

最大等效應(yīng)力時(shí)程曲線同樣可以通過(guò)LSPP獲取，通過(guò)曲線可以快速獲得薄壁管在任意時(shí)刻的等效應(yīng)力變化情況，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)正弦式信號(hào)沖擊的最大等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在沖擊結(jié)束時(shí)刻左右，鋸齒波信號(hào)、矩形波及三角波信號(hào)沖擊所產(chǎn)生的最大峰值出現(xiàn)在1.25s左右時(shí)刻，而恒定信號(hào)沖擊所產(chǎn)生的峰值靠前半部分，在0.6s左右出現(xiàn)峰值。

圖5 5種沖擊方式的最大等效應(yīng)力時(shí)程曲線

6結(jié)論

（1）在恒定信號(hào)沖擊下，沖擊速度大小直接影響薄壁不銹管的變形程度，速度大的變形可以看成是小速度沖擊鋼管的累積結(jié)果。

（2）沖擊方式也會(huì)影響薄壁不銹管的變形程度以及最大變形的位置，正弦信號(hào)沖擊所產(chǎn)生的變形最嚴(yán)重，恒定信號(hào)沖擊次之，三角波信號(hào)沖擊最弱。

（3）不同沖擊方式所產(chǎn)生最大等效應(yīng)力的時(shí)間不同。正弦式信號(hào)沖擊的最大等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在沖擊結(jié)束時(shí)刻左右，鋸齒波信號(hào)、矩形波及三角波信號(hào)沖擊所產(chǎn)生的最大峰值出現(xiàn)在1.25s左右時(shí)刻，而恒定信號(hào)沖擊所產(chǎn)生的峰值靠前半部分，在0.6s左右出現(xiàn)峰值。