撰文/石獅市海洋與漁業(yè)執(zhí)法大隊 蘇偉江青島武船重工有限公司 孫啟哲

ANSYS WORKBENCH板架結(jié)構(gòu)碰撞仿真

撰文/石獅市海洋與漁業(yè)執(zhí)法大隊 蘇偉江青島武船重工有限公司 孫啟哲

碰撞是一種在短時間內(nèi)局部發(fā)生的復(fù)雜非線性瞬態(tài)響應(yīng)過程，在交通運輸、機械及軍工等領(lǐng)域普遍發(fā)生。在設(shè)計車輛時，需要大量的碰撞仿真及實車碰撞實驗，以確保車輛的安全；在船舶事故理賠時，也需要碰撞仿真以提供有效證據(jù)，因此碰撞仿真正在相關(guān)行業(yè)迅速普及。在各行各業(yè)，為了減輕結(jié)構(gòu)重量，大量采用板架結(jié)構(gòu)以增加結(jié)構(gòu)的強度和剛度，本文使用ANSYS WORKBENCH，分別使用三種建模方法對一板架結(jié)構(gòu)進行了碰撞仿真，并得到了碰撞力和能量吸收曲線等數(shù)據(jù)，仿真方法具有代表性，可為各行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計及事故研究提供參考，具體操作過程如下。

一、板架結(jié)構(gòu)建模

本文使用WORKBENCH自帶的Geometry進行建模。本文中，板架模型的尺寸是5m×5m，板厚為7mm，角鋼尺寸為60mm×40mm×5mm，間距為0.5m。

1.實體建模

（1）拉伸生成正方形板（Solid body）。

打開WORKBENCH并在窗口左邊的“Tool box”中雙擊“Geometry”和“Explicit Dynamics”兩個按鈕，此時主窗口空白區(qū)域新增兩個工程，拖動綠色“Geometry”按鈕按圖1所示將兩者連接起來。

雙擊綠色“Geometry”按鈕打開建模軟件，在XYplane新建一個草圖（New Sketch），繪制一個5m×5m的矩形，然后將草圖拉伸（點擊工具欄中“Extrude”按鈕）7mm，成為一個平板，如圖2所示。

圖1 新建碰撞仿真項目

圖2 拉伸生成平板

（2）拉伸生成一組骨架。

在ZXplane新建一個草圖，并在對應(yīng)位置處繪制所有角鋼截面草圖（也先畫一個截面并復(fù)制到其他位置），拉伸（點擊“Extrude”按鈕）至與平板端部對齊，如圖3所示，拉伸后角鋼將自動與平板連接為一個實體。圖中深綠色的是角鋼截面草圖。

圖3 拉伸生成角鋼

（3）旋轉(zhuǎn)生成球體。

在YZplane新建一個草圖，在相應(yīng)位置繪制一個半徑為0.5m的圓和一條沿直徑方向的線，修剪為半圓形后將草圖旋轉(zhuǎn)（點擊“Revolve”按鈕）生成一個球體如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)生成球體

2.概念建模（Surface bodies）

（1）生成正方形板（Surface body）。

打開Geometry后，在XYplane新建一個草圖，繪制一個5m×5m的矩形，點擊標題欄上的“Concept”→“Surfaces From Sketches”，生成一個正方向的Surface body，如圖5所示。

圖5 生成一個Surface body

（2）在板上印痕。

在XZplane新建一個草圖，繪制一組等距的短線，然后點擊“Extrude”按鈕，在窗口左下角的“Details View”中的“Operation”下拉列表里選擇“Imprint Faces”，生成一組印痕，如圖6所示。圖中深綠色線段就是印痕所用的草圖。

圖6 印痕

（3）生成角鋼的邊線（Lines）。

點 擊 標 題 欄 上 的“Concept” →“Lines From Edges”，在第（2）步生成的一條印痕上添加Line，如圖7所示。圖中藍色線條即為新生成的Line。

圖7 添加一條Line

點擊標題欄上的“Create”→“Body Operation”，在窗口左下角的“Details View”中的“Type”下拉列表里選擇“Translate”，在“Direction Deformation”下拉列表里選擇“Coordinates”并在z方向輸入60，將剛剛添加的Line向下移動60mm，如圖8所示。

圖8 向下移動Line

點擊標題欄上的“Create”→“Body Operation”，在窗口左下角的“Details View”中的“Type”下拉列表里選擇“Translate”，在“Direction Deformation”下拉列表里選擇“Coordinates”并在x方向輸入40，在“Preserve Bodies？”下拉列表選擇“Yes”，將剛剛移動的Line向后移動40mm，如圖9所示。

圖9 向后復(fù)制Line

點 擊 標 題 欄 上 的“Concept” →“Lines From Points”，將圖10所示的Lines的定點連接起來。圖中藍色線條為角鋼的全部邊線。

圖10 連接Lines的定點

（4）生成角鋼。

點擊標題欄上的“Concept”→“Surfaces From Edges”，順次連接圍成角鋼腹板和面板的邊線，生成一個角鋼的腹板和面板。如圖11所示。

圖11 生成一個角鋼

按照第（3）步的方法，點擊標題欄上的“Create”→“Body Operation”，并將第一個角鋼復(fù)制到其他位置，如圖12所示。

圖12 復(fù)制其他角鋼

（5）旋轉(zhuǎn)生成球體。

在YZplane新建一個草圖，在相應(yīng)位置繪制一個半徑為0.5m的圓和一條沿直徑方向的線，修剪為半圓形后將草圖旋轉(zhuǎn)（點擊“Revolve”按鈕）生成一個球體如圖13所示。

圖13 旋轉(zhuǎn)生成球體

3.概念建模（Surface bodies和Line Bodies）

按照第3步的第（1）到（2）步，生成帶有印痕的板。點擊標題欄上的“Concept”→“Lines From Edges”，在第（2）步生成的一條印痕上添加Lines，如圖14所示。圖中黃色線條即為新生成的Lines。

圖14 生成Lines

點擊標題欄上的“Concept”→“Cross Section”→“I Section”，定義一個對稱截面的I形鋼（腹板60mm，面板20mm，板厚5mm）。在左邊建模樹最下面的Bodies下面選擇剛剛添加的Lines，在窗口左下角的“Details View”中的“Cross Section”下拉列表里選擇剛剛定義好的I形鋼。如圖15所示。

圖15 定義Lines截面屬性

在YZplane新建一個草圖，在相應(yīng)位置繪制一個半徑為0.5m的圓和一條沿直徑方向的線，修剪為半圓形后將草圖旋轉(zhuǎn)（點擊“Revolve”按鈕）生成一個球體如圖16所示。

圖16 旋轉(zhuǎn)生成球體

二、碰撞仿真

雙擊圖1中“Model”按鈕，進入碰撞仿真軟件。在窗口左邊的“Project”欄中選擇“Mesh”，設(shè)置板的網(wǎng)格尺寸（Size）為0.1m，設(shè)置球體的網(wǎng)尺寸為0.2m，劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格如圖17所示。

圖17 劃分網(wǎng)格

在窗口左邊的“Project”欄中右鍵點擊“Initial Conditions”→“Insert”→“Velocity”，設(shè)置球體的速度為5m/s；在窗口左邊的“Project”欄中右鍵點擊“Explicit Dynamics”→“Insert”→“Fixed support”，設(shè)置板架結(jié)構(gòu)的四周為固定端；單擊“Analysis Settings”，設(shè)置“Max Number of Cycles”為100000或更大，設(shè)置“End Time為0.3s”，其他保持默認。

完成上述步驟后，在窗口左邊的“Project”欄中右鍵點擊“Solution” →“Insert”，分 別添加“Total Deformation”、“Equivalent Stress”和“Equivalent Elastic Strain”，右鍵點擊“Solution Information”→“Insert”，分別添加“Total Energy”、“Internal Energy”、“Kinetic Energy”和“External Force”。點擊菜單欄的“Solve”開始計算。

三、計算成本及計算結(jié)果分析

在計算過程中，記錄了計算時間和CPU消耗，發(fā)現(xiàn)Ansys.solvers進程始終占用25%的CPU運算資源，第一個模型計算用時600min有余，第二個和第三個模型計算很快，僅需要50min左右，可見實體模型計算所需時間是其他兩個模型計算時間的十幾倍，從計算時間成本上看，概念建模比實體建模更具優(yōu)越性。在計算過程中發(fā)現(xiàn)，實體模型網(wǎng)格尺寸稍大一點就會出現(xiàn)能量過大的提示而無法繼續(xù)計算，概念建模模型卻可以允許很大尺寸的網(wǎng)格，從計算成功率上看，概念建模更好。

圖18～20分別為三個模型計算得到的等效用力云圖，由于碰撞分析是動態(tài)過程，每個時刻都對應(yīng)一個云圖，這里只列舉三個，從上到下分別為0.05s、0.1s和0.15s三個時刻的等效應(yīng)力云圖。為了清除地顯示骨架變形，將有骨架的那面顯示出來。

圖18 實體模型不同時刻等效應(yīng)力云圖

圖19 Surface bodies模型不同時刻等效應(yīng)力云圖

由圖可以看出，三個模型在每個時刻的變形和應(yīng)力分布非常相似，第三個模型的骨架雖然不顯示應(yīng)力云圖，但其強度已被計入整個結(jié)構(gòu)，且斷裂位置和形狀與其他兩個模型一樣。由于骨架焊接在鋼板上，造成整個結(jié)構(gòu)在骨架附近截面突變，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力云圖會在一定程度形成順著骨架方向分布的條紋。對比三個模型板架破損形狀，發(fā)現(xiàn)后兩個模型相似度極高，這是因為后兩個模型都是概念建模，網(wǎng)格失效形式相同?？傮w來說，三個模型在碰撞過程中的應(yīng)力分布和破損變形相差無幾，但計算成本不同。

圖20 Surface bodies和Lines Bodies模型不同時刻等效應(yīng)力云圖

圖21 三個模型能力吸收時間歷程曲線

板架結(jié)構(gòu)的破損會伴隨著能量的吸收，在碰撞過程中，鋼球的一部分能量轉(zhuǎn)化為板架結(jié)構(gòu)的動能，一部分能量轉(zhuǎn)化為板架結(jié)構(gòu)的內(nèi)能，動能和內(nèi)能的總和就是總能量。由于固定了板架的四周，板架不會發(fā)生整體性移動，只能做局部微小振動，所以板架動能始終不大，只占總能的百分之幾，幾乎可以忽略，所以這里只分析板架總能量（約等于內(nèi)能）隨時間的變化。圖21為三個模型的總能量吸收曲線，由圖可知，三個模型的能量吸收曲線高度相似，0.025s之前板架吸收能量較慢，0.025～0.075s之間板架迅速吸收能量，隨后能量吸收速度減緩，說明就在這個時刻板架正在迅速變形吸收能量，在碰撞開始0.15s后，板架能量幾乎維持水平，說明板架破損已經(jīng)基本完成。三條曲線不僅趨勢非常相似，最終的穩(wěn)定值也極為接近，其中第三個模型與第一個模型的能量吸收曲線在碰撞后期幾乎重合，相差僅為0.6%。

圖22 碰撞力曲線

從圖22中可以看出，三個模型的受力曲線也是非常相似，但在結(jié)構(gòu)破損后（0.035～0.2s）表現(xiàn)出較大的差別，這是受碰撞過程中網(wǎng)格失效算法影響的結(jié)果；有限元計算中，當網(wǎng)格達到失效準則時，該網(wǎng)格就會突然消失，不再參與碰撞，實際結(jié)構(gòu)是逐漸破損的，加上本文中網(wǎng)格尺寸較大，造成三個模型的碰撞力不一致。三條曲線在0.025～0.2s的那一段，波動劇烈，且波動呈現(xiàn)一定的周期性，說明碰撞過程中板架結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。

四、結(jié)語

本文采用三種不同的建模方法，對一板架結(jié)構(gòu)進行了碰撞仿真，對比了三個模型的計算成本和計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用概念建模的方法對板架進行碰撞仿真不僅節(jié)省時間和計算機內(nèi)存，而且更容易成功，誤差也不會很大。文中采用的方法具有一定的針對性，對各行業(yè)板架結(jié)構(gòu)碰撞仿真有一定的參考價值。