金属管高速碰撞动力学仿真：基于ABAQUS的分析

1工程背景

金属材料作为一种为常见的土木建筑使用材料，被广泛的应用于房屋水道搭建、工业生产车间悬梁原材料制备的过程中，因工程需要，金属被制成悬臂梁、圆形管道、金属壳等形状。那么在这些零件的装配及搬运过程中，经常会发生相互碰撞而导致零件结构发生变形甚至失效。因此本文以金属圆管为对象，通过动力显示求解高速碰撞过程中的应力应变来分析金属圆管相互碰撞造成的后果，为碰撞或跌落仿真分析提供一定的参考。

2仿真问题描述

金属管一端突然断裂，失去受力后会高速旋转，撞击到相邻的金属管路，引发工业生产事故、因此需要对相邻的两个管道在撞击时的应力、应变及变形加以提前预测。本次分析对象为图1所示的两条金属管的几何模型，管直径6.5mm，厚度0.4mm。长度为50mm。假设固定一管的两端，另一管的一端位移自由度被约束，另一端自由。本案例中设置管道间为相互垂直关系，因此模型整体为对称结构，故可以建立对称模型进行动力学分析。

图1几何模型

3仿真设备基本参数

仿真运算时间很大程度上取决于计算机性能的高低，本案例进行的金属管撞击仿真试验运行的计算机平台如下表1所示。

4 ABAQUS建模过程

本案例的几何模型建立是通过ug10.0三维建模软件完成的，模型以文本格式导入ABAQUS2017仿真软件上进行后续的有限元仿真分析操作。在仿真中，金属管选用SHELL单元，网格划分如图2所示。通过Create Material命令对材料参数进行赋予，金属管道的材料本构及参数如表2所示。在此过程中，仿真的单位制需要格外注意统一，以避免仿真最终结果的准确性。材料设置完成后通过定义刚体约束对金属管进行自由度的约束，以符合实际工况；需要注意的是，在定义预定义场中，通过create predefined field命令定义施加在金属管上的角速度范围，这里的角速度应为弧度制，旋转方向遵从右手螺旋规则。之后施加对称边界条件及接触属性设置后，便可提交作业至Job Manager求解算例。图2为金属管网格划分完成的有限元模型。

图2网格模型

5结果与分析

作业求解结束后，在Job Manager对话框中选中Job-3_Damage，单击Result按钮，切换到Visualization模块便可查看结果。以下从工件变形、工件应力应变云图及能量角度做简单分析。

5.1变形图

金属管的变形如图3所示，其中图3a1~a3分别表示不同时刻金属管的变形情况，可以看到金属管在旋转过程中受到白色金属管的反力作用而在接触处出现大变形行为，这与实际相符。

图3金属管的变形

5.2云图

由图3可知金属管的大变形行为只发生在接触处，那么对接触处的应该应变进行分析，图4进一步给出金属管的PEEQ、mises应力云图。图中进一步发现接触中心点处最容易出现金属管的破坏失效，而沿接触中心往外，应力逐渐扩散开来，边缘处几乎不会发生金属管的破坏。

图4金属管的PEEQ、mises应力云图（A）PEEQ云图（B）mises应力云图

5.3能量曲线

从能量的角度对物体的变形甚至失效行为进行深入分析是仿真相比试验的最大优势之处。本案例同样可以通过提取金属管碰撞过程中的动能、内能以及系统总能量的变化来理解整个高速碰撞过程。碰撞过程中的能量及能量比变化曲线如图5所示，其中图5a1表示能量变化曲线，图5a2表示能量比变化曲线。图中发现，在整个碰撞过程中，内能是处于不断增加直至平衡不变的状态，与之相反，动能逐渐减小直至稳定在0附近左右，此时碰撞结束，两金属管相对静止，不在有相对位移的变化，而总的能量是缓慢上升的，这是因为整个碰撞过程中，模型有额外的能量输出，也就是定义了旋转角速度带来的动能。另外从图5a2可以看出，能量比尖峰出现在25μs左右，表明此时金属管出现大的破坏失效，之后曲线开始急剧下降，说明金属管在接触后发生的失效带走了大部分的动能，之后曲线缓慢上升趋于平缓，维持在5J左右。这是由于两者处于相对静止，动能降为零导致的。

图5能量及能量比变化曲线a1能量变化曲线a2能量比变化曲线

6总结

基于ABAQUS仿真平台，通过显示动力学模块进行对称金属管的动力学仿真分析并通过应力应变云图、金属管变形情况以及能量曲线分析方式对诸如工程中的碰撞及跌落问题有了一定的认知，本案例能够为工业生产过程中的碰撞及从产品跌落提供一定的参考意义。

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