ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验

1 功能概述

大多数材料在强度等力学性质方面都表现出某种程度的加载率或应变率敏感性，高幅值短持续时间脉冲和荷载所引起材料力学性质的应变率效应，对于抗动载的结构设计和分析是非常重要的。这些动载来至常规武器侵彻与爆炸、偶然爆炸和高速撞击等许多军事和民用事件，对于这些事件的理论分析和数值模拟必须知道材料的高应变率强度、断裂特性和应力-应变关系等本构性质。要研究材料在脉冲动载作用下的力学性质的实验设备和实验必须模拟类似现场的应变率条件，分离式霍普金森杆被公认为是最常用最有效的研究脉冲动载作用下材料力学性质的实验设备。

数值模拟是一种依靠电子计算机对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题进行研究的技术。它利用材料的本构函数，结合有限元或有限容积的概念，采用数值计算和图像显示的方法，因此具有如下优势：

（1）检验理论结果是否正确； （2）弥补实验与观测得不足；

（3）利用模拟结果，了解非线性过程中的因果关系与主要物理机制； （4）预测在不同初始条件与边界条件下非线性过程的发展情形； （5）数值模拟成本低，可以带来巨大社会经济效益。

由于很多材料的本构性质已经知道，因此在设计产品时，可以利用材料的本构性质通过仿真来模拟复杂的系统。

ANSYS/LS-DYNA数值模拟霍普金森压杆试验，就是通过ANSYS/LS-DYNA软件来模拟霍普金森压杆实验，通过设置弹丸不同速度，对试件进行研究。霍普金森压杆实验分为自由式和分离式两种，本仿真采用分离式的办法。

2 原理简介

2.1 霍普金森压杆实验简介

霍普金森杆实验装置的基本原型最早是由Hopkinson提出的，它可用于测量冲击载荷的脉冲波形。1949年Kolsky将压杆分成两段，试件置于输入杆和输出杆中间，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆轰产生加速脉冲，利用这一装置

可测量材料在冲击载荷作用下的应力-应变关系。Kolsky的工作是一项革命性改进，现代的分离式霍普金森杆都是在其基础上发展而来，所以分离式霍普金森杆也称之为Kolsky杆。

在这半个多世纪的时间里，分离式霍普金森杆实验技术得到了大力的发展，由最初的压缩实验系统发展到拉伸和扭转实验系统甚至是压扭、拉扭复合系统；其测试材料的种类己由金属发展到非金属，由韧性材料到脆性材料；从常温实验发展到高、低温实验；从较低应变率实验发展到较高应变率实验。

另外，由于自由式霍普金森杆技术由于能够实验高过载，已经成为高g值加速度传感器的标准标定实验技术。 2.2 ANSYS/LS-DYNA简介

在求解冲击、爆炸问题时，只有采用非线性数值算法才能解决。广泛使用的有限元程序如LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS和AUTODYN等专长于求解非线性问题。DYTRAN可用于爆炸、高速侵彻、船体撞击毁损等分析领域，但是在处理冲击问题的接触算法上远不如LS-DYNA全面。ABAQUS可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，但是对爆炸和冲击过程的模拟相对不足。AUTODYN可用于处理几何和材料大变形的非线性瞬态动力分析数值模拟，尤其在弹药工程领域应用广泛，可对聚能射流现象、破甲穿甲弹侵彻靶板的作用机理进行仿真。LS-DYNA作为世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题,特别适合于求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固藕合问题。1996LSTC公司与ANSYS公司合作推出ANSYS/LS-DYNA，大大增强了LS-DYNA的分析能力。ANSYS/LS-DYNA程序是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(140多种材料动态模型)和接触非线性(50多种)程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算)；军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。

运用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟的一般步骤包括:前处理、求解及后处理。

前处理工作主要包括：算法及有限元单元的选择、材料模型的确定、模型的建立、网格的划分、接触的定义、约束及载荷的施加等步骤，其中前处理工作由ANSYS/PREP7完成。前处理操作完成后，系统将生成相应的K文件。此时可根据数值模拟的实际情况来决定是否修改K文件内容。由于K文件为二进制文件，需采用文本编辑器将K文件打一开、编辑。K文件修改完毕后，调用LS-DYNA970版求解器进行求解，生成图形文件和时间历程文件。求解过程结束后，启动后处理程序LS-PREPOST。LS-PREPOST可读取LS-DYNA的计算结果d3Plot文件，进行计算数据的整理以及二次运算。

3 仿真材料及模型尺寸的选择

分离式霍普金森压杆实验包括子弹、输入杆、输出杆及试件。本仿真采用钨钢作为子弹、输入杆以及输出杆的材料，试件选用5A06-C铝。数值模拟的模型尺寸如表3.1，数值模拟材料参数如表3.2，表3.3。

表3.1 数值模拟的模型尺寸

模型 钨钢子弹 钨钢输入杆 钨钢输出杆

长度l/m 0.2 1 0.8 8×10?3

外径?/m 1.5×10?2 1.5×10?2 1.5×10?2 1.3×10?2

5A06-C铝试件

表3.2 子弹、输入杆、输出杆的材料参数和模型 密度

材料 钨钢子弹 钨钢输入杆 钨钢输出杆

ρ/kg/?? 7678 7678 7678

3

杨氏模量 E/Pa 2.1E11 2.1E11 2.1E11

泊松比 μ 0.29 0.29 0.29

切线模量 ????/Pa - - -

失效模量

模型

????/Pa - - -

Isotropic Isotropic Isotropic

表3.3 试件的材料参数和模型

密度

材料

ρ/kg/??

3

杨氏模量E/Pa 7.9E10

泊松比

A/Mpa

μ 0.33

235.4

622.3

0.58

0.174

1.05

B/Mpa

n

c

m

5A06-C

2680

铝试件