ANSYS-workbench是ANSYS公司目前主推的有限元平臺，相比經典界面APDL優點眾多，能解決目前出現的各種仿真問題，該平臺提供了強大的功能和較好的用戶界面，包括集成的項目視圖和無縫集成的參數管理，可以采用拖拽的方式完成多物理場的分析流程，并且在前處理方面優秀于其它有限元軟件。該仿真平臺設置簡單，推動了仿真產品的設計。本文采用的是顯式動力學分析的模塊（Explict dynamic(LS-Dyna)。

     LS-Dyna是非線性顯式分析的常用有限元軟件，具有很強的通用分析能力，能完美解決各種接觸沖擊爆炸等復雜的動力學問題，有限元程序的求解問題由LS-Dyna求解器完成。目前LS-Dyna的分析和求解功能已經非常強大，可以進行動力學，靜力學，結構-流體耦合，電磁場，溫度場，耦合場等分析，功能齊全且應用領域廣泛，可用于研究嚙合、接觸等沖擊問題的影響。本文采ANSYS-workbench和LS-Dyna軟件對鑿巖機沖擊系統進行有限元數值模擬，利用Ansys-workbench進行前處理，生成LS-Dyna程序關鍵字（keyword）文件或稱為K文件，然后調用Ansys Product launch中的LS-DYNA SOLVER求解器對K文件進行求解，生成對D3plot結果文件，并運用LS-PREPOST后處理器對結果文件進行查看。

1.1 有限元分析流程

（1）基于SolidWorks軟件進行三維建模。

（2）基于ANSYS-workbench平臺下的mesh進行沖擊系統的網格劃分。

（3）基于ANSYS-workbench平臺下的explict dynamic（LS-Dyna）模塊添加沖擊系統分析的邊界條件等。

（4）使用 UltraEdit 修改和添加 K文件的關鍵字。

（5）調用LS-Dyna SOLVER求解器，對K文件求解。

（6）LS-prepost查看結果。

1.2鑿巖沖擊系統有限元建模

    鑿巖機在工作過程中，沖擊系統中活塞，釬尾，釬桿等受力狀態很復雜，本章分析的重點是活塞，在進行建模時，需提出幾點假設：1 沖擊系統各零件材料為各向同性，密度分布均勻；2.由于本章先要對理想情況下的沖擊系統進行分析，這里假設活塞，釬尾，釬桿等零件均為理想狀態即不考慮結構和材料的缺陷及加工，裝配過程中的殘余應力等。 

    鑿巖機沖擊系統實體模型包括：活塞，釬尾，釬桿，釬頭，巖石等因為在發生碰撞時主要是活塞與釬尾發生碰撞，釬尾與釬桿通過螺紋連接在一起，因為本文考察的重點對象是活塞，并且在滿足結構尺寸的要求下，假設將釬尾，釬桿作為一體。本文運用solidworks制圖軟件構建沖擊系統實體模型，如圖所示

                                           圖1沖擊系統三維圖

  1）單元選擇，定義材料和網格劃分

    將建立的沖擊系統三維模型另存為.xt文件，將.xt文件導入到ANSYS-workbench中，在網格劃分之前需選擇實體單元，ANSYS軟件提供了常見的單元類型，如實體單元和彈簧阻尼單元等等，根據每種單元的算法不同和實際應用的需要，設計人員需要通過不同的命令流在ANSYS-workbench平臺下，對單元進行選擇或更改。本文所研究的是沖擊系統的活塞，釬桿等，建立的均是實3D體,因此選擇默認的solid164單元。 各零件材料性能參數在設置如表如表所示。

                              表1 沖擊系統材質參數

  巖石采用花崗巖，為了準確描述其本構關系，添加多線性各向同性硬化材料模型Multilinear Isotropic Hardening 。借用文獻中花崗巖本構方程的應力應變試驗數據如圖2所示：

                                圖2 花崗巖本構方程的應力應變

    進入mesh進行網格劃分，模型采用六面體實體單元劃分，這種單元為結構化網格，采用二階插值函數進行擬合，運算速度快，求解精度高，活塞釬桿釬頭等插入多區域Mutizone網格劃分方法，映射面類型選用Hexa類型，surface Mesh Method 選用Program Controlled 程序自動控制，Src/Trg Selection 選用Automatic 自動控制，并對活塞端面添加Mapped Face Meshing方法, 同時添加局部網格尺寸劃分Body sizing 方法，為了保證求解精度和求解時間代價的平衡，設置活塞局部尺寸 為4mm,釬尾釬桿釬頭局部尺寸 為6mm,巖石模型局部尺寸為10mm。網格劃分規模節點數為90330，單元數量127871，網格生成后,需要對模型進行檢查,檢查模型是否存在致命的問題,如重復節點，重復單元，殼單元法向是否一致等等。 

                                  圖3沖擊系統有限元模型  

2定義接觸，約束和施加初始條件

   本文研究是鑿巖機沖擊部件在極限工況下的動力學分析，活塞撞擊釬桿，釬桿與釬頭看著一體，釬頭與巖石發生相互作用，將各部件均設為柔性體，活塞與釬桿表面選擇Frictionless 無摩擦接觸方式，同時，釬頭與巖石接觸表面選擇Frictional 有摩擦接觸方式，靜摩擦系數為0.15，動摩擦系數為0.1。Frictionless用來模擬無摩擦的單邊接觸，沖擊碰撞是非線性大變形問題,由于接觸面無法預知且可能會發生接觸的表面因變形而接觸，常選擇Frictionless接觸方式，通過connection/Body Interaction/Definition type/Frictionless 設置。

    約束是對有限元模型進行自由度的添加，主要是限制移動和轉動自由度，在極限工作的介質下，工作介質為堅硬的巖石，設置巖石沿活塞運動方向的fix support全約束，釬桿只具有沿活塞運動方向的自由度，用displacement 約束設置 ，約束完成后，還需要對沖擊系統施加初始條件，由上一章介紹鑿巖機工作原理可知，沖擊系統高壓油進入后腔，作沖程加速運動，在與釬尾發生碰撞前，活塞只受液壓油的作用，當高速沖擊碰撞釬尾，在很短時間（微秒級）內將產生巨大的沖擊力，這個沖擊力比液壓的作用大得多，是活塞疲勞破壞的最主要原因，因此，將它作為研究的主要對象，設置活塞模型的整個body施加一定的初始速度即可完成初始條件的定義。通過Initial Condition/ Velocity/ x-Component= -11000mm/s定義。Explicit Dynamics/Analysis Settings/end time 對話框設置運行求解時間，因為本章研究的分析重點是沖擊活塞的應力應變情況，為了節省計算量，運行時間設為4e-004s.為了由于過大的能量誤差Maximum Energy error（%）導致求解的不收斂，這里設置為10

對輸出文件進行設置：

 Explicit Dynamics/Analysis Settings/Output Controls/Save Results on /Equally Space Points,Number of points =20  Cycles =5000設置輸出文件以相等時間步，總共為20個時間點，見圖2-19 并點擊solve求解，寫入K文件，文件保存初始設置的文件夾下。

1.3沖擊活塞的動態響應分析

1.3.1 沖擊系統部件的動態響應

 下圖為沖擊活塞一次沖擊響應在LS-prepost中的結果;下圖為活塞沖擊響應下x方向應力云圖

                                       (a)t=0.02ms

                                       (b)t=0.08ms

                                       (c)t=0.1ms

                                        (d)t=0.2ms

                                     圖4單元x應力時間曲線

    (1）圖（a）~（d）中可知：活塞與釬尾發生碰撞后，能量以壓力波的形式向活塞自由端傳播，在壓力波到達自由端之前，應力波到達位置承受較大的壓應力，其余位置承受較小拉應力。

   （2）壓力波達到活塞自由端后并發生反射，以拉應力形式向活塞撞擊端傳播，應力波達到的位置承受著較大的拉應力，其他部位承受壓應力，驗證了應力波理論。

   （3）圖4為活塞撞擊端面398603單元和中部386242單元x應力曲線，可知:在0~0.24ms內活塞端面承受著較大的壓應力，隨著壓應力波傳播，93918單元0.04ms后才產生壓力波作用。      

圖5是沖擊過程中活塞和釬桿的速度和位移的變化曲線，其中紅線A代表活塞，綠線B代表釬尾。

                           （a）活塞和釬尾（釬桿）速度曲線

                          （b）活塞和釬尾（釬桿）位移曲線

                           圖4活塞和釬桿的速度和位移曲線

    由（a）（b）可知：在一次沖擊過程中，活塞與釬桿發生碰撞，受到較大的接觸力作用，初始速度11m/s迅速減小，釬尾（桿）速度逐漸增加，活塞與釬尾（桿）沿軸向方向的位移均在增加，釬尾在0.12ms-0.2ms之間速度增加的曲率稍微減緩，說明在0.12ms時，釬頭與巖石相互碰撞并產生接觸力，但巖石對釬桿的接觸力此時小于之后活塞對釬桿的作用力，釬尾（桿）仍作加速運動，之后釬尾（桿）的速度隨時間減小。在0.2ms左右活塞速度降為0，但活塞與釬桿并未分離，仍受到較大的接觸力，并向反方向作加速運動且活塞軸向位移逐漸減小，當到達0.23ms左右時，活塞與釬桿發生分離，活塞并以1.6m/s左右的速度勻速反彈.整個沖擊過程中，活塞和釬桿的速度和位移在時間上均對應的，與實際情況相符。

                         圖5  0.12ms活塞的沿軸線的剖面米塞斯應力云圖

   由圖中可以看出：活塞內部應力分布不均勻且比較復雜，較大應力的位置也在不斷變化，這是因為受到應力波的作用，應力波波峰經過的位置即為較大應力處，應力波在不斷的傳播過程中，較大應力位置也在不斷改變。

   沖擊活塞以V=11m/s碰撞釬桿時，在碰撞端面會產生較大沿軸向反方向的接觸力，如圖5所示，隨著接觸時間增大，接觸力逐漸增大，0.12ms左右時，接觸力達到最大值為320560N,并且接觸力在最大值附近產生了較小的震蕩，在0.23ms時，接觸力降為0N.說明活塞和釬桿此時發生分離，這與上節中的速度曲線互相吻合

                               圖5活塞碰撞端面的接觸力曲線

    在沖擊活塞碰撞端面中心沿軸向依次在2個網格內均取10個點，在活塞受到最大接觸力0.12ms時，仿真求出每點軸方向的應變x-stran（mm/mm），并繪制成曲線如圖6所示。

                              圖6 x-stran變化曲線

     沖擊活塞與釬桿發生碰撞時，受到沖擊載荷作用，并且屬于高頻多次碰撞，沖擊表面容易出現各種各樣的損傷，最終以累積的塑性變形為主，每一次撞擊都會給活塞造成一定的彈塑性變形，特別是撞擊端面。圖6是活塞撞擊端面至心部2個網格長度內應變曲線，分析可知：沖擊端面和心部產生的應變是不均勻的，表面應變最大，然后應變沿外到里成梯度逐漸減小。這是因為接觸力的沖擊性質，使得活塞表面的應力和能量沿表及里不均勻的分布且近似成指數型關系逐步遞減。

1.4 沖擊活塞最大應力分析

    利用 LS-PrePost 的 History 命令里面能夠得出在整個沖擊過程中活塞的最大應力的時間和位置。如圖7所示，活塞的最大米塞斯應力且最大壓應力均為398571單元，最大拉應力在374975單元。圖8為單元的兩處界面在活塞中的位置。

                   

                             圖7 活塞最大米塞斯應力和最大拉壓應力單元位置

                                     圖8  單元所處位置

     從上圖可以看出，活塞在整個沖擊過程中，最大米塞斯應力和最大壓應力出現在撞擊端面中心靠近內孔倒角附近，且端面均受到較大的應力。這如上一節所述，因為碰撞受到較大的沖擊力。最大拉應力出現在活塞后部的截面突變位置處,說明突變截面會產生應力集中。

圖9為截面的單元處于最大壓（拉）應力時，截面的應力云圖.

     

                                

                                        圖9 截面應力云圖

    由上圖可知：在該時刻上的截面的應力并不是均勻分布的，但呈中心對稱分布，說明了二維理論計算的應力值并不能代表截面上某一處的實際值，它只能反映零部件的整體情況。為了更好研究活塞端面上各單元的應力分布，依次取端面中心沿徑向外圓的四單元，提取四單元的應力變化曲線，如圖10所示，端面單元在整個沖擊過程中，大多時間均受壓應力作用，在端面內孔附近和外圓附近應力較大，且各單元應力變化趨勢相似，只是各個單元峰值有所不同。

                                    圖10端面單元應力曲線

                                 圖11 兩單元應力曲線

     由于受到應力波的作用，活塞中的單元的應力應變值隨時間不斷變化的，下圖11為兩單元的x-stress應力變化曲線。（正值表示拉應力，負值表示壓應力）

    由上圖可知：整個沖擊過程中，在0.12ms時活塞端面H398571單元達到最大壓應力為607Mpa,且該單元也是最大米塞斯應力位置，最大應力531Mpa.在0.16ms時，活塞H374975達到最大拉應力105Mpa，均未超過活塞材料的屈服極限900MPa，但由于活塞總是處在復雜較大交變應力循環中，隨著從沖擊碰撞（循環載荷）次數的增加，在具有最大應力處的沖擊端面處，某些局部不連續的應力集中處，含有微裂紋缺陷等處會發生疲勞破壞。

1.5 巖石硬度對沖擊活塞應力譜的影響

    為了分析不同巖石對沖擊活塞中的應力譜的影響，不同巖石表現為不同的硬度，本節將在Ansys-workbench/LS-dyna 中對鑿巖機活塞進行多次沖擊動力學有限元仿真試驗。

    表2為不同種類的巖石的物理力學性能，其中普氏硬度F3-F10表示巖石的硬度大小，數字越大，巖石越硬。

巖石類型	普氏硬度	密度（g/cm3）	剪切模量 （Mpa）	抗壓強度 （Mpa）	抗拉強度 （Mpa）
灰巖	F3	2.23	4	30	4
頁巖	F6	2.45	12	62	6
白云巖	F8	2.48	15	90	8.5
花崗巖	F10	2.50	18	105	10

  圖12為沖擊系統鑿入到四種不同的巖石時的沖擊活塞端面的應力變化曲線。