单位文秘网 2021-08-31 09:06:31 点击: 次
摘要: 本文采用有限单元法,运用ANSYS软件对土体在发射器冲击荷载下的变形进行瞬态动力学分析,确定关中某地黄土在受冲击时的位移及应力分布规律。有限元模拟结果与工程实际冲击结果比较吻合,为发射器的后座冲击作用下土的动力性能分析奠定基础,此类研究鲜见发表,从而为发射器进行模态分析和瞬态动力学分析的地基动力参数提供理论依据。
关键词: 动力性能;冲击荷载;发射器;有限元法;瞬态动力学
中图分类号:TJ202 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2014)31-0023-03
0 引言
土体结构在发射器座钣冲击载荷作用下的动力学行为的研究有着深刻的工程背景和工程实践的需要。用来支撑发射器后座能量的装置称为座钣,发射器座钣承受的载荷主要来源于发射时的火药气体压力,该火药气体压力除了压强大、合力大以外,它还是一个随时间剧烈变化的冲击载荷。[1]充分发挥ANSYS软件在瞬态动力学计算上的优势,对关中某地土体在受冲击时的应力及变形分布规律进行分析,从中得出一些有益的结论,为发射器的后座冲击作用下土的动力特性分析奠定一定理论基础。[2]本文以冲击荷载下的土体动力分析为例,说明基于ANSYS的有限元分析在冲击法中的应用。[3]
1 ANSYS结构动力学瞬态分析
ANSYS中动力学瞬态求解采用ANSYS软件的动力分析模块,常用的方法有三种:Full(完全)法、模态叠加(Mode Superposition)法和缩减矩阵(Reduced)法[4]。对于小的模型,采用Full法是一个更安全可行的求解方法。本文应用了Full法求解。
ANSYS动力分析的主要步骤:①创建或读入有限元模型;②定义材料属性;③划分网格(节点及单元);④施加载荷及载荷选项、设定约束条件,然后求解。
2 土体的瞬态动力分析
2.1 土体有限元模型的建立 影响冲击地基的因素较多,且土体的变形特性也十分复杂,考虑到模型要与实际工程特点相适应并且便于分析求解,所以地基模型不宜太复杂,本模型对模拟土体作如下假设:
①地基为各向同性的均质、弹塑性半无限空间体;
②由于模拟区内土层含水量不高,故不考虑地下水及地下水面的影响;
③在冲击一定范围以外为小变形问题;
④冲击物为刚体,冲击过程冲击物底部始终保持水平位置。
1)模型尺寸。为计算精确期间,根据冲击物尺寸,土体模型径向取0.5m,纵向取0.8m。即模拟土体尺寸:长×宽×高=1×1×0.8。因模拟土体与荷载都是对称的,所以取1/4模型模拟,即模拟土体尺寸:长×宽×高=0.5×0.5×0.8。
2)参数选择。土体密度ρ=1.727kg/cm3;土体的变形模量5MPa、μ为泊松比0.3;土体强度指标c=24kPa,φ=27°。
3)单元划分。为提高计算精度,模型网格划分长度为0.05,共划分了单元1600个,总共2057个节点。
2.2 冲击荷载及其载荷步确定 冲击荷载主要是某型号发射器的后坐力,其曲线见图1。冲击荷载作用时间为Td=2.55ms、最小压力为Pd=31.2MPa、最大压力Pm=182.4MPa。
根据图1所示的P-t曲线特点,本文为了考虑计算精度将其后坐力冲击荷载划分了26个载荷步,每个载荷步为0.1ms,每个子步为0.02ms,即共有130个子步[5]。
2.3 模型求解 采用Durcker-Parger准则,该准则是在Mohr-Cou10mb准则和Mises准则基础上扩展和推广而得的。采用该数学模型具有简单实用、参数少和较为成熟等优点。
1)Drucke-rPrgaer模型的屈服条件:
中材料常数α和k,与内聚力c和摩擦角φ和有关。
2)求解方程
土体弹塑性本构关系:{dσ}=[Dep]·{dε} (2)
式中:{dσ}为应力增量列阵;{dε}为应变增量列阵;[Dep]为弹塑性矩阵。
3)动力平衡方程
把土体作为连续介质,考虑阻尼的影响,不考虑孔隙水与土骨架之间的相对运动,土体质点的运动方程为:
荷载列阵。
4)求解方法 采用瞬态动力方法求解。
2.4 模拟结果分析 采用ANSYS软件对上述建立的数学模型进行求解,得到冲击荷载下土体的竖向位移分布图、水平位移分布图以及应力分布图。这些图形能够反映土体冲击后的各项力学指标变化情况及冲击的作用效果。下面从单次冲击下土体位移、应力分布情况进行分析。
2.4.1 位移分析 根据土体所受冲击载荷的特点,土体在0.8ms时所受的冲击载荷值最大,即此时刻是土体的受力最大时间点,所以读入0.8ms时的结果数据,即第八个载荷步的结果数据,观察分析这些结果数据。
从上面数值模拟所得的冲击位移图2~图4,我们可以看到土体在冲击载荷最大时刻的变形位移量分布规律。土体的位移变形分布在x向和y向位移数值相同,即在水平面(xoy面)对称,在z向位移最大。总体上,冲击荷载作用下,土体垂直向变形最大,水平面土体影响范围是冲击物半径的2~3倍。冲击荷载作用下土体密实度增加、孔隙率减小、土体颗粒被压实。
冲击使垂直方向上的土体产生较大的位移,从而压密土体,使土体强度得到加强。同时,土体也产生了水平方向上的位移,土体向冲击物周边移动,对周围的土体也产生一定的挤压,这与实际情况也是相吻合的。
2.4.2 应力分析 由图5~图8可以看到,冲击荷载下土体模型中应力分布情况,从而可以得到如下结论:
①通过list命令列出节点应力结果,可得到图9、10应力与深度曲线图,从该图看到,最大主应力与z向应力随着深度增加而逐渐减弱,其最大值均出现在冲击物与土体接触面上;②从图中可以看到,冲击过程中x向和y向应力是压应力,z向应力图可以看到冲击物侧壁土体出现拉应力,这与我们实际工程中看到冲击物周围有土体隆起的结果是吻合的。
最大主应力变化情况在一定程度上可以反映土体冲击效果。应用ANSYS对冲击荷载下土体进行瞬态动力学数值分析,得到了土体模型在冲击力下应力的分布情况及变化规律(图9、图10)。
3 结论
本文通过有限元软件ANSYS对冲击荷载下黄土的变形进行了瞬态动力学数值模拟,揭示了黄土冲击荷载作用下的位移及应力规律。阐明了其影响效果。分析得出以下结论:①数值模拟结果可知,冲击荷载增大土体主应力。应力的增加随着冲击荷载下土体深度的增加而减小,同时冲击物侧壁出现拉应力;②由冲击后土体位移结果可知,在垂直方向上,土体产生较大位移,从而使土体压密,增加土体强度;水平方向上,土体向冲击物外侧移动,对周围土体产生挤压;
综合分析冲击荷载下土体瞬态动力学数值模拟结果,可以发现冲击荷载对土体作用主要集中于冲击物正下方一定范围内,而对于冲击物横向上的影响只是相邻冲击物对土体的侧向挤密,此范围内的土体影响强度无法与冲击物正下方土体的影响强度相比。
从结果可知该土体结构模型比较合理,且上述计算结果与实际发射器射击试验的结果比较相符,证明了本文建立的黄土弹塑性模型的合理性和正确性。对不同型号榴弹发射器的进一步研究设计及火炮地基结构的设计具有理论指导意义。
参考文献:
[1]唐治.迫击炮设计[M].北京:兵器工业出版社,1994.
[2]王礼立,余同希,李永池编.冲击动力学进展[M].合肥:中国科大出版社,1992.
[3]王富耻.张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2006.
[4]叶先磊.史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京:清华大学出版社,2003.
[5]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上实践[M].西安:西北工业大学出版社,2001.
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