有限元分析报告.doc

有限元仿真分析实验一、实验目的通过刚性球与薄板的碰撞仿真实验，学习有限元方法的基本思想与建模仿真的实现过程，并以此实践相关有限元软件的使用方法。本实验使用HyperMesh软件进行建模、网格划分和建立约束及载荷条件，然后使用LS-DYNA软件进行求解计算和结果后处理，计算出钢球与金属板相撞时的运动和受力情况，并对结果进行可视化。二、实验软件HyperMesh、LS-DYNA三、实验基本原理 本实验模拟刚性球撞击薄板的运动和受力情况。仿真分析主要可分为数据前处理、求解计算和结果后处理三个过程。前处理阶段任务包括：建立分析结构的几何模型，划分网格、建立计算模型，确定并施加边界条件。四、实验步骤1、按照点线面的顺序创建球和板的几何模型（1）建立球的模型：在坐标 (0,0,0)建立临时节点，以临时节点为圆心，画半径为5mm的球体。（2）建立板的模型：在tool-translate面板下node选择临时节点，选择Y-axis,magnitude输入5.5，然后点击translate+，return;再在2Dplanes-square 面板上选择Y-axis,B选择上一步移下来的那个节点，surface only ,size=30。2、画网格（1）画球的网格：以球模型为当前part，在2Datuomesh面板下，surfs选择前面建好的球面，element size设为0.5mm，mesh type选择quads，选择elems to current comp,first order， interactive。（2）画板的网格：做法和设置同上。3、对球和板赋材料和截面属性（1）给球赋材料属性：在materials面板内选择20号刚体，设置Rho为2.000e-08,E为200000,NU为0.30。（2）给球赋截面属性：属性选择SectShll,thickness设置为0.1，QR设为0。（3）给板赋材料属性：材料选择MATL1，其他参数：Rho为2.000e-08,E为100000,Nu为0.30，选择Do Not Export。（4）给板赋截面属性：截面选择SectShll，thickness设为0.2。其他参数:SHRE为8.333-01，QR为0，T1为0.2。（5）给板设置沙漏控制：在Properties-Create面板下Card image选择HourGlass，IHQ为4，QM为0.100。更新平板。4、加载边界条件（1）将板上最外面的四行节点分别建成4个set。（2）建立一个load collector。（3）Analysisconstraints面板中，设置SIZE为1，nodes通过by sets选择set_1、set_2、set_3、set_4，然后点击creat即可，边界条件加载完毕。5、建立载荷条件（给球一个3mm的位移）（1）建立一个plot: postxy plots-plots-creat plot,然后点击return;(2)在post-xy plots-edit curves面板中输入X0，0，0.0001,Y0,3。(3)给刚性球一个3mm的沿y正方向的位移：card image设为PrcrRgd,DOF为2,VAD为2,LCID为1,SF为1,option选择Rigid。6、接触处理（1）做两个用于接触的segment：在Analysis-set_segment面板中，Card image选择setSegment，elems选择球这个part。重复操作对平板创建segment。要同时保证球的setsegment的方向朝外，plane的setsegment方向朝上。（2）建立接触：对称接触：在Analysis-interfaces面板中,type选择SurfaceToSuface,Card image选择SingleSurface。master的contactsurfs选择球的setgment;slave的contactsurfs选择平板的setgment。点击edit后，设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选OneWay。非对称接触：在Analysis-interfaces面板中,type选择SingleSurface,Card image选择SingleSurface。master的contactsurfs选择球的setgment;slave的contactsurfs选择平板的setgment。点击edit后，设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选smooth。7、定义控制卡片在Analysis-control cards面板中，(1)选择Control_Enegy,将hgen设置为2；(2) 选择Control_Termination,将ENDTIM设为0.0001s;(3) 选择Control_Time_step,将DTINIT设为1*10-6s，将TSSFAC设置为0.6;(4) 选择DATABASE_BINARY_D3PLOT,将DT设置为5*10-6;(5) 选择DATABASE_OPTION，将MATSUM设置为1*10-6，将RCFORC设置为1*10-6。8、删除临时节点在geom中选择temp nodes，点击node，选择all，然后点击clear。9、节点重新排号。tool中选择renumber，然后选择all，最后点击renumber。10、将文件导出成KEY文件。11、生成的KEY文件导入LS-DYNA中，并运行。12、打开后处理程序Ls-Prepost，点击file-open-ls-dyna binary plot，选择计算得到的d3plot结果。13、点击下方运行按钮，观看碰撞动画。选择右边的ASCII按钮，选择rcforc后，点击左边的Load按钮，再选择Sl或者Ma，然后选择最下方的Resultant force,最后点击Plot，观看冲击力随时间的变化曲线。五、实验结果1、对称接触情况对称接触定义下，冲击过程中薄板的弹塑性变形过程如图1至图5所示。图1图2图3图4图5冲击过程中刚性球与薄板层接触力时间历程如图6所示。图62、非对称接触情况非对称接触定义下，冲击过程中薄板的弹塑性变形过程如图7至图11所示。图7图8图9图10图11冲击过程中刚性球与薄板层接触力时间历程如图12所示。图12六、实验总结根据对称接触定义与非对称接触定义的对比实验计算过程和实验结果可以看出，对称接触定义下刚性球撞击薄板的冲击现象更加明显，接触力更大，计算所花费的时间也更长，这与理论上双接触面与单接触面的结论是相同的。