受冲击格构式钢拱弹塑性失稳数值模拟与试_验研究毕业论文(编辑修改稿)

受冲击格构式钢拱弹塑性失稳数值模拟与试_验研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

题，从而获得拱受冲击荷载时瞬时响应的数值解。 （ 2）通过对比前人试验，参照数值模型，设立试验研究各参数对格构拱受冲击稳定性能的影响，并与有限元模拟结果的对比，验证数值模拟模型的可行性与适用性，分析格构式钢构的受冲击破坏形式。 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 中国农业大学硕士学位论文 6 第二 章 格构拱的弹塑性冲击响应 ABAQUS 软件概述 ABAQUS 软件动力学算法 ABAQUS 是一套具有强大功能的有限元数值模拟分析软件，可以解决相对简单的线性问题以及很多复杂的非线性问题。 ABAQ US 具有一个非常丰富的单元库，可以模拟任意的几何形状。 另外， ABAQUS 还拥有一个包含各种类型材料的材料模型库，可以模拟典型工程中材料的性能，其中包括金属、钢筋混凝土、复合材料和岩石等。 ABAQ US 作为通用的模拟软件，除了能模拟大量结构问题，还可以模拟工程领域中的其他许多问题，例如热电耦合分析、热传导及岩土力学分析等。 ABAQUS 主要由部件、特性、装配、分析步、相互作用、载荷、网格、作业、可 视化和草图十个功能模块组成。 对于高度非线性问题，用户只需要提供相关的工程数据，如结构的几何信息、材料性质、边界条件及荷载情况。 ABAQUS 在非线性分析中能自动地选择收敛限度和载荷增量，并能连续的调节参数以保证在分析计算过程中得到精确解。 另外，用户可以通过定义准确的参数以实现很好的控制数值模拟结果。 ABAQUS 拥有一个图形用户界面 ABAQUS/CAE，即人机交互前后处理模块，还有两个主求解器模块 :ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explic it。 ABAQUS/Standard(通用程序 )主 要用来求解线性和非线性问题； ABAQUS/Explic it(显示分析 )用来求解像冲击和爆炸这样短暂和瞬时的动态事件和一些高度非线性问题。 本文的数值模拟采用 ABAQUS/EXPLICIT 中动态显式算法，它采用中心差分法对动力方程进行显式时间积分，由一个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件。 其基本过程为，首先进行节点计算，由动力学平衡方程： )||()(| )()(1)( ttt IPMu   （ 31） 时间进行显式积分为： tttttttt uttuu |2 )||(|| ..)()()2(.)2(.   （ 32） )2(.)()()( |||| ttttttt utuu   （ 33） 再对单元计算，先根据应变速率 . ，计算单元应变增量 d。 再根据本构关系计算应力  ， )d,|(| )()(  ttt f （ 34） 然后集成节点内力 )(| ttI  ，最后设置时间 t 为 tt  ，返回至节点计算。 时间步长 t 的选择涉及到两个方面的约束：一方面由于中心差分法用差分代替积分，且对中国农业大学硕士学位论文 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 7 位移和加速度的变化采用引申的线性关系，因此 t 的取值不能过大；一方面是因为数值稳定性问题。 因此，显示积分的稳定性由最小时间步长来控制，而最小时间步长是由最小单元长度和应力波的波速来决定。 对于一个完整的 ABAQ US/Explic it 分析过程，通常有三个步骤：前处理、模拟计算和后处理。 这三个步骤通过文件之间建立的联系如图 21 所示，图中 是ABAQUS/CAE 在提交给主求解器模块时产生的输入文件，它的修改可以在 ABAQUS/CAE 中关键词编辑器（ Keywords Editor）里进行，也可以在其它文本编译器中进行。 和 都是输出文件，不同的是 可用写字板读取，而 文件本身不可读，只能用可视化模块（ Visualization）进行图形读取。 图 21 ABAQUS 的模块和分析过程 ABAQUS 中刚性体简介 在 ABAQUS 软件中，刚性体是单元和节点的集合体，单元和节点的运动由刚性体参考点的运动所控制。 通过在刚体参考点上施加边界条件来控制刚性体的运动。 通过在刚性体参考点上施加载荷，或者在节点上或部分刚体单元上施加载荷形成刚体上的载荷。 通过节点连接和通过接触可变形的单元，刚体与模型中的其他部分发生相互作用。 前处理 ABAQUS/CAE 或其他软件 输入文件： 模拟计算 ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 输出文件： ， 后处理 ABAQUS/CAE 或其他软件 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 中国农业大学硕士学位论文 8 刚性体不仅可以用于模拟非常坚硬的部件，还可以用于模拟变形部件之间的约束作用。 当 ABAQUS 应用于准静态成 型分析时，采用刚性体模拟加工工具（如冲头、抽拉模具、夹具、辊轴等）是非常理想的，将其作为一种约束方式也很有效。 使模型的一部分成为刚性体有助于达到验证模型的目的。 例如，在复杂的模型中，所有潜在的接触条件是难以预见的，可以将远离接触区域的单元定义为刚性体，从而导致更快的运行速度。 当用户对模型和接触的定义感到满意时，就可以消除刚性体的定义，这样展现在整个模拟过程中的就是一个可精确变形的有限元模型了。 通过把部分模型定义为刚性体而不是变形的有限单元体，可以很大的提高计算效率。 刚性体单元不再进行单元层次的计算，其参 考点的最多 6 个自由度就完全确定了刚性体的运动。 因此，在 ABAQUS/Explic it 分析中，对于模拟结构中相对比较刚性的部分，若其中的波动和应力分布是不重要的，应用刚性体特别有效。 对于大多数单元都可以使用刚性体功能，它们都可以成为刚性体的一部分，而不仅仅局限于刚性单元（ rigid element）。 只要将单元赋予刚体，壳单元或者刚性单元都可以用于模拟相同的问题。 本文中即是将模拟中的落锤简化建立成刚体单元，通过在刚体参考点上施加边界条件描述落锤的运动。 模型的建立 几何模型的建立 几何 模型如图 22 所示， 立方体质量块 m 以 横 向 速度 v 撞击 钢管格构拱。 图 22 矩形质量冲击块 与 格构拱横向 碰撞 几何模型 本模型为立体格构拱，轴线形状为圆弧形，长 L，高 H，采用等腰三角形截面如图 23，弦杆和腹杆采用圆钢管，圆钢管直径 D=，钢管壁厚为。 拱材料为钢材，材料性质为：中国农业大学硕士学位论文 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 9 密度 ,/7800 3mkg 弹性模量 PaEE  ，泊松比  ，材料模型都采用分段线性塑性模型（ Piecewise Linear Plasticity） ，屈服强度 235MPa，强度极限 380MPa。 图 23 格构拱等腰三角形截面 有限元模型的建立 采用 ABAQUS/Explicit 软件模拟图 22 所示的冲击碰撞模型。 本章中的有限元几何模型以及划分网格都是通过 ANSYS 软件使用 APDL 语言编写宏文件，进行参数化建模，输出 INP 文件，导入 ABAQUS 软件中进行计算与后处 理。 参数化建模中将确定网格、模型数据（节点坐标、单元连接、单元截面特性，材料属性等）、边界条件、加载和输出条件等。 通过改变宏文件以及 INP输入文件中不同参数的值建立不同模拟情形下的模型，以实现对不同冲击速度、刚体质量和矢跨比等条件下的模拟。 图 24 是在 ABAQUS 中建立的有限元模型图，模拟图 22 所示的冲击过程。 格构式钢拱使用的是 B31 梁单元， B31 是个三维线性梁单元，适用于显式动力计算，每个单元具有两个节点，每个节点具有 3 个平动自由度和 3 个绕模型所在平面法线的转动自由度，梁单元的截面在 ABAQUS中以几 何的方式定义，通过横截面上的数值积分， ABAQUS 计算梁的横截面行为，并允许材料具有线性和非线性的行为，该单元可以输出轴向应力和轴向应变，也可以根据用户的需要输出轴向应力、弯矩和绕局部梁的曲率等； R3D4 是平面应力刚体单元，具有四个节点， 模型中冲击块用三维四边形刚性单元 R3D4 模拟，在刚体上方的刚性参考节点处定义一个质量单元，赋给其冲击块的质量 m，刚体竖向初速度 v 为系统的初始条件，采用通用接触算法和动力学接触公式。 图 24 刚体冲击格构式钢拱 有限元模型 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 中国农业大学硕士学位论文 10 各种因素对 弹塑性格构拱 冲击 响应 的影响 冲击 速度对冲击 响应 的影响 当采用弹塑性材料本构时，由于塑性变形和塑性耗散能的出现，速度不仅影响冲击荷载的大小，对冲击接触持续的时间，以及冲击荷载的曲线形状都会有一定的影响。 本节在保持上述冲击模型不变的情况下，模拟了刚体横向撞击线性强化弹塑性格构拱的过程，模型参照图 22，其中拱跨度 L=，高度 H=，刚体质量 m=20Kg，冲击速度介于 V=1m/s 到 10m/s 范围内。 最后通过 ABAQUS 后处理器得到格构式钢拱在冲击荷载作用下的接触反力、冲击接触时间、 Mises应力、竖向位移、能量值等 计算结果。 在数值模拟的基础上，通过处理这些数据，得到了弹塑性格构拱的冲击荷载和接触时间随冲击速度的变化规律。 图 25 V=1m/s、 2m/s 和 3m/s 时 的冲击荷载时程曲线 图 26 V=4m/s、 5m/s 和 7m/s 时 的冲击荷载时程曲线 中国农业大学硕士学位论文 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 11 图 27 V=8m/s、 9m/s 和 10m/s 时 的冲击荷载时程曲线 图 25 至图 27 为不同速度下冲击荷载的时程曲线。 由于刚体块与拱之间预设了一段距离，所以速度越大与刚体块接触越早，冲击荷载产生越早。 由图可以看出，当 V 为 1m/s、 2m/s、 3m/s时，冲击荷载产生 后，一段时间内出现了零值，之后再次产生，这说明冲击过程中，刚体块与个格构拱发生了短暂的分离，之后又发生了二次碰撞。 而在 V8m/s 时并未出现此现象。 为了描述上述冲击过程，下面以 V=1m/s、 V=5m/和 V=10m/s 为例分析上述过程。 本文为分析刚体块与格构拱的接触问题，提取了刚体块的竖向位移与速度，并将其与个格构拱拱顶受冲击点的竖向位移和速度作比较。 其中模型中拱顶受冲击点为拱顶处梁单元 B31 节点，根据梁单元的截面性质，即为该处圆钢管截面几何中心。 图 28 至图 211 分别为 V=1m/s、 V=5m/s和 V=10m/s 拱顶受冲击点和刚体块的竖向位移差和竖向速度差的时程曲线。 图 28 V= 10m/s时刚体块和格构拱受冲击点的竖向位移差时程曲线 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 中国农业大学硕士学位论文 12 图 29 V=1m/s 时刚体块和格构拱受冲击点的竖向速度差时程曲线 图 210 V=5m/s 时刚体块和格构拱受冲击点的竖向速度差时程曲线 图 211 V=10m/s 时刚体块和格构拱受冲击点的竖向速度差时程曲线 中国农业大学硕士学位论文 第二章 格构拱的弹塑性冲击响应 13 由以上图中可以看出初始竖向速度差较大，是因为刚体块与格构拱有一段预设距离，即d=，当刚体块与格构拱开始接触，发生冲击，速度差绝对 值开始减小，当速度差为零时，即为刚体块与格构拱紧密接触共同运动。 观察图 29， V=1m/s 时的竖向速度差，冲击发生后，刚体块与拱顶开始接触，速度差迅速变为零，但是速度差一直在零值上下扰动，即刚体块与格构式钢拱发生了二次接触，而观察图 210和图 211，发现 V=5m/s 和 V=10m/s 下的竖向速度差，初始也出现了速度差的上下扰动，且速度较大时，发生时间很短，可以忽略不计，不发生二次接触，即随着冲击速度的增加，刚体块与格构拱冲击过程中接触越紧密。 观察图 28， V=1m/s、 V=5m/s 和 V=10m/s 的竖 向位移差时程曲线，曲线突变出刚体块与拱顶开始接触，接触后位移差的绝对值继续增大，因为模型中受冲击点梁单元 B31 节点为。