1工程背景

金屬材料作為一種為常見的土木建筑使用材料，被廣泛的應用于房屋水道搭建、工業生產車間懸梁原材料制備的過程中，因工程需要，金屬被制成懸臂梁、圓形管道、金屬殼等形狀。那么在這些零件的裝配及搬運過程中，經常會發生相互碰撞而導致零件結構發生變形甚至失效。因此本文以金屬圓管為對象，通過動力顯示求解高速碰撞過程中的應力應變來分析金屬圓管相互碰撞造成的后果，為碰撞或跌落仿真分析提供一定的參考。

2仿真問題描述

金屬管一端突然斷裂，失去受力后會高速旋轉，撞擊到相鄰的金屬管路，引發工業生產事故、因此需要對相鄰的兩個管道在撞擊時的應力、應變及變形加以提前預測。本次分析對象為圖1所示的兩條金屬管的幾何模型，管直徑6.5mm，厚度0.4mm。長度為50mm。假設固定一管的兩端，另一管的一端位移自由度被約束，另一端自由。本案例中設置管道間為相互垂直關系，因此模型整體為對稱結構，故可以建立對稱模型進行動力學分析。

圖1幾何模型

3仿真設備基本參數

仿真運算時間很大程度上取決于計算機性能的高低，本案例進行的金屬管撞擊仿真試驗運行的計算機平臺如下表1所示。

Table1 parameters of simulation

CPU	NCPU	Memory	Frequency
Intel（R）Xeon（R）i7 6300	8	9.7GB	3.29GHz

4 ABAQUS建模過程

本案例的幾何模型建立是通過ug10.0三維建模軟件完成的，模型以文本格式導入ABAQUS2017仿真軟件上進行后續的有限元仿真分析操作。在仿真中，金屬管選用SHELL單元，網格劃分如圖2所示。通過Create Material命令對材料參數進行賦予，金屬管道的材料本構及參數如表2所示。在此過程中，仿真的單位制需要格外注意統一，以避免仿真最終結果的準確性。材料設置完成后通過定義剛體約束對金屬管進行自由度的約束，以符合實際工況；需要注意的是，在定義預定義場中，通過create predefined field命令定義施加在金屬管上的角速度范圍，這里的角速度應為弧度制，旋轉方向遵從右手螺旋規則。之后施加對稱邊界條件及接觸屬性設置后，便可提交作業至Job Manager求解算例。圖2為金屬管網格劃分完成的有限元模型。

Table2 parameters of materials

Young’s Modulus（MPa）	Poissin’s Ratio	Yield Stress（MPa）	Plastic Strain	Density （t/mm3）
206000	0.3	310	0	7.85E-9

圖2網格模型

4結果與分析

作業求解結束后，在Job Manager對話框中選中Job-3_Damage，單擊Result按鈕，切換到Visualization模塊便可查看結果。以下從工件變形、工件應力應變云圖及能量角度做簡單分析。

4.1變形圖

金屬管的變形如圖3所示，其中圖3a1~a3分別表示不同時刻金屬管的變形情況，可以看到金屬管在旋轉過程中受到白色金屬管的反力作用而在接觸處出現大變形行為，這與實際相符。

圖3金屬管的變形

4.2云圖

由圖3可知金屬管的大變形行為只發生在接觸處，那么對接觸處的應該應變進行分析，圖4進一步給出金屬管的PEEQ、mises應力云圖。圖中進一步發現接觸中心點處最容易出現金屬管的破壞失效，而沿接觸中心往外，應力逐漸擴散開來，邊緣處幾乎不會發生金屬管的破壞。

圖4金屬管的PEEQ、mises應力云圖（A）PEEQ云圖（B）mises應力云圖

4.3能量曲線

從能量的角度對物體的變形甚至失效行為進行深入分析是仿真相比試驗的最大優勢之處。本案例同樣可以通過提取金屬管碰撞過程中的動能、內能以及系統總能量的變化來理解整個高速碰撞過程。碰撞過程中的能量及能量比變化曲線如圖5所示，其中圖5a1表示能量變化曲線，圖5a2表示能量比變化曲線。圖中發現，在整個碰撞過程中，內能是處于不斷增加直至平衡不變的狀態，與之相反，動能逐漸減小直至穩定在0附近左右，此時碰撞結束，兩金屬管相對靜止，不在有相對位移的變化，而總的能量是緩慢上升的，這是因為整個碰撞過程中，模型有額外的能量輸出，也就是定義了旋轉角速度帶來的動能。另外從圖5a2可以看出，能量比尖峰出現在25μs左右，表明此時金屬管出現大的破壞失效，之后曲線開始急劇下降，說明金屬管在接觸后發生的失效帶走了大部分的動能，之后曲線緩慢上升趨于平緩，維持在5J左右。這是由于兩者處于相對靜止，動能降為零導致的。

圖5能量及能量比變化曲線a1能量變化曲線a2能量比變化曲線

5總結

基于ABAQUS仿真平臺，通過顯示動力學模塊進行對稱金屬管的動力學仿真分析并通過應力應變云圖、金屬管變形情況以及能量曲線分析方式對諸如工程中的碰撞及跌落問題有了一定的認知，本案例能夠為工業生產過程中的碰撞及從產品跌落提供一定的參考意義。