GB T 34108-2017 金屬材料 高應變速率室溫壓縮試驗方法.pdf

    霍普金森桿沖擊試驗是研究材料在高應變率下的力學行為的最基本的手段，國家標準《GB T 34108-2017 金屬材料 高應變速率室溫壓縮試驗方法》對霍普金森桿沖試驗的原理與方法做了詳細說明，本文末附有標準原文。

    試驗一般具有周期長，成本高，誤差不可控等缺點。更多的研究是進行少量試驗，結合CAE仿真以更低成本的研究材料在不同參數下的性能變化，同時可以對試驗進行誤差分析和結果驗證。Ls-Dyna則是動態沖擊仿真領域的先驅者和領導者。

    本文通過一個簡單案例介紹通過Workbench Ls-Dyna軟件完成霍普金森桿沖擊的一般流程。在Workbench界面下，不僅僅可完成Ls-Dyna的絕大部分前處理，還能方便的在圖形界面下實現全參數化仿真。本例采用的軟件版本為Ansys Workbench 2021 R2。

1. 案例介紹

    入射桿、透射桿、撞擊桿、試樣均為圓柱形，按照下圖排列。入射桿、投射桿的中間位置裝用應變傳感器，撞擊桿以一定的軸向速度撞擊入射桿，獲取沖擊后一定時間內入射桿上的入射波和反射波應變相應，以及透射桿上的透射波應變響應。

 

2. 分析過程

2.1 幾何建模與材料參數

    初始幾何參數及撞擊速度如下表，單位噸，毫米，秒。

入射桿	投射桿	JC本構-colspan="1"> 撞擊桿	試樣	撞擊速度
R9×2000	R9×2000	R9×300	R5×5	30000

    采用DM完成參數1/4模型參數化建模，桿件軸與Y軸重合，位移X軸正半區。設置了入射桿與透射桿中部自動切分后共節點操作，便于后續選擇需要輸出的應變單元。

材料參數桿件采用線彈性本構（Mat1）,結構鋼，試樣采用簡單JC本構（Mat98），某牌號鋼材。

A. 分別將桿和試樣的材料參數賦予對應的結構；

B. 添加對稱邊界條件，分別設置桿和試樣關于全局坐標系下X平面對稱和Z平面對稱；

C. 分別設置撞擊桿與入射桿、入射桿與試樣、試樣與透射桿之間的無摩擦接觸，并將接觸的自動刷新設置為否；

D. 網格控制中，添加全部幾何體多區域網格劃分及尺寸控制，得到完成模型的映射網格。

本步驟設置結果如下：

 

2.3 求解設置

A. 通過表方式的命名選擇，精確自動獲取入射桿與透射桿上的應變片單元，并創建單元集

B. 通過關鍵詞管理，添加DATA_HISTORY_SOLID_SET關鍵字，并選擇上一步設置的命名選擇。

 

C. 對撞擊桿添加初始速度，并對每一個接觸添加接觸特性，設置接觸為AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE（此為默認設置，可省略）；

D. 在分析設置中，求解時間設置為大于應力波在1.5走過1.5倍桿長所需的時間，建議設置為走過2倍桿長所需時間（本例設置為8e-4s）；根據電腦配置設置CPU個數及內存信息。全局沙漏控制類型為Flanagan-Belytschko Stiffness Form，數值為0.1。根據自己需求設置所需輸出的動畫個數（默認為20個，本例設置為40），并在時間歷史輸出中增加Elemate Data輸出，輸出時間間隔2e-7s。

E. 后處理中添加輸出應變片單元的總機械應變（或y方向機械應變），并采用圖表功能把入射桿應變片應變和透射桿應變片應變顯示在一張圖中。提交計算，本算例網格較粗，計算時間大約2分鐘。

 3. 結果展示

A. Workbench后處理結果，數據提取自D3plot，只有40個點。入射桿、透射桿應變及能量曲線圖如下。

 

B. Hyperview后處理結果，數據提取自時間歷程數據binout文件，有4000個點，數據更光滑。入射桿、透射桿應變及能量曲線圖如下，入射桿應變峰值-0.0029334，透射桿應變峰值-0.0019087.

 

4. 其他說明

本例完全采用Workbench Ls-Dyna參數建模，修改其中任意結構、材料、網格、邊界、載荷等設置，更新后均可自動得到新的仿真結果。例中采用Ansys Workbench2021R2，其中文設置方法如下。