基于ANSYS的低速碰撞模拟分析

彭振飞

摘  要：碰撞是工程中比较常见的问题，一般的碰撞呈现高度非线性动力学问题，本文以某两个不同的弹性小球为例，运用ANSYS隐式动力模块分析不同的小球在下落碰撞过程中位移，速度，加速度变化的不同。体现ANSYS隐式动力模块分析低速碰撞问题的可行性。

关键词：ANSYS;隐式动力模块求解;碰撞

前言

工程实践中的许多撞击现象（诸如锻锤打击砧板、射弹撞击靶板，鱼雷与目标相撞等），在一般情况下，仅知道撞击体的初始运动速度，撞击体与目标面之间的撞击速度，加速的规律和大小是未知的。这给撞击问题的理论研究带来了一定的困难。有关撞击现象的理论研究，主要是基于Hertz准静态接触理论或进行相关的试验研究。对于变形体的撞击问题，更多的采用有限元分析手段。随着计算机的发展，有限元分析在工程撞击问题中的分析和模拟计算中的应用越来越广泛。本文采ANSYS隐式动力模块求解低速碰撞问题。

工程概况

某弹性小球自由跌落，考虑空气阻力的影响，与刚性地面碰撞后反弹，可以预见小球的反弹高度越来越低，最终趋于停止。采用ANSYS对不同小球的运动过程进行分析。这里取下落高度h为2m，小球半径为10cm，其中一个小球为实心小球，另外一个小球内有一个1cm*1cm*1cm的正方体空隙，弹性模量为7.8MPa，泊松比为0.47，密度930kg/m?，考虑空气阻力（质量阻尼系数为1.5，刚度阻尼系数为0.0001）。

有限元模型的建立

1.单元的选取

（1）弹性小球的单元选取

弹性小球分别为实心和空心圆球结构较为简单，面为曲面，所以直接采用sph4命令生成，使用20节点的solid186单元。

（2）接触单元与目标单元的选取

小球跌落碰撞时是典型的面-面接触，对于柔体-刚体接触，较软的面为接触面，因此选择弹性小球表面为接触面;选择刚性地面为目标面。

2.网格划分

对于一个实心球体，这里采用映射划分的方式：

对于一个空心球体，这里采用扫掠划分的方式：

3.接触单元的设置

碰撞是在小球表面发生的，因此接触单元为小球表面的节点。

（1）使用nsla命令选择附在面上的节点，并设置单元类型。

（2）使用esurf命令生成表面效应单元

4.目标单元的设置

（1）使用tshop命令定义目标单元为8节点3D单元

（2）目标单元即刚性地面的创建，我们需要知道我们所建立的球体及接触单元上最大的节点，在这里采用get命令获取最大节点编号，命令如下：

*get，nn，node，0，num，max

6.求解设置

（1）采用完全（full）法求解

由于计算过程较为简单，不需要考虑开销大小。并且使用完全法不必关心选择主自由度会振型，在一次分析中就能得到所有的位移和应力。

（2）设置子步长度，子步越长精度越高，但是太大不以收敛，由于受计算机配置的影响，子步较长时，计算较为缓慢，所以在这取2。

（3）系统中只有重力做功，因此需要添加重力加速。

经过试验得到：

实心小球在：

0-0.7s 未碰撞，此时取0.01-0.05一个较大的时间步，以便减少运算时间。

0.7-0.79在此时间段将要发生碰撞，此时取0.0001-0.0005一个较小的时间步。

0.79-1.7s未碰撞，取时间步为0.01-0.05;1.7-1.82发生碰撞，取时间步为0.0001-0.0005;1.82-3.21未发生碰撞，取时间步为0.01-0.05用来模拟实心小球在3.21秒内的下落过程

空心小球在：

0-0.7s未碰撞，此时取0.01-0.05一个较大的时间步，以便减少运算时间。

0.7-0.8在此时间段将要发生碰撞，此时取0.0001-0.0005一个较小的时间步。

0.8-1.3未碰撞，取时间步为0.01-0.05;1.3-1.6发生碰撞，取时间步为0.0001-0.0005;1.6-2.4发生碰撞，取时间步为0.01-0.05。

由于在实心小球里仿真模拟里发现在2.4-3.2时间段内有较大误差，所以这里只取前2.4s进行两个小球各参数的对比分析。

仿真计算结果与分析

采用ANSYS隐式动力模块中完全法算法，利用ANSYS提供的POST26时间历程后处理器，可以方便的得到不同小球撞向地面时的位移、速度、加速度变化曲线如图1至图6所示。

由图1可以看出，两个小球的位移大小变化呈现波动性，实心小球波峰大小衰减的较空心小球快。

由图2可以看出，两个小球的速度变化呈现折线形，在第一次碰撞中实心小球速度变化更大，并且较空心小球在碰撞结束后速度衰减更大。

由图3可以看出，两个小球加速度变化呈现瞬态性，分别出现在两次碰撞中，第一次碰撞中两个小球加速度差别不是太大，其中实心小球较大一些，但是在第二次碰撞中，空心小球仍有较大的加速度。

產生这不同的原因是因为空心球在碰撞的瞬间球壁会因受力向相反的方向（即向球心）变形，而球壁又会因为弹性的原因要恢复该变形，于是，球就会弹起。而且由于空心小球内部也拥有正方体壁，所以较实心小球更容易恢复变形。

结语

在ANSYS环境中进行接触动力学计算具有明显的优越性。ANSYS为计算结果的分析提供了强有力的后处理功能。一方面，可以在时间历程后处理器中用曲线的形式描述我们所感兴趣的节点和单元上的物理量（如速度、加速度、应力等）随时间的响应历程;另一方面，可以通过在通用后处理器中用彩色云图的方式隐式计算结果分布情况，这对于某些工程结构的进一步设计具有重要的指导意义。

参考文献

[1] 有限元原理与ANSYS应用指南[M].清华大学出版社，商跃进主编，2005

[2] 谷长春，石明全.基于ANSYS/LS-DYNA的高速碰撞过程的数值模拟[J].系统仿真学报，2009，21（15）：4621-4624.

[3] 高速模拟钢质弹丸侵彻多层靶仿真[J].岳小兵，龙源，方向，谢文.解放军理工大学学报（自然科学版）.2003（04）

[4] 利用ANSYS瞬态分析直接进行结构静-动力分析的一种方法[J].蒋新新，李建波，林皋，刘俊，周小侃.计算机应用.2014（S1）