高速刚性小球冲击陶瓷高脚杯的仿真研究

1问题的提出

众所周知，冲击速度影响被冲击物体破坏的程度。但其实被冲击物体的表面造型也影响着冲击的破坏程度。为探究物体表面造型对冲击破坏程度的影响，本文选择具有对称结构的高脚杯进行仿真分析，高脚杯的内外杯壁厚度及造型均不相同，当物体以一定速度冲击杯壁时，杯壁本身可以形成对比分析。本文采用ANSYS LSDYNA进行了刚性小球高速、低速冲击陶瓷高脚杯仿真，对比探讨了冲击速度对破坏程度的影响。

2有限元分析

1）NX 10.0进行高脚杯的几何建模

由于高脚杯的曲面造型较为复杂，同时杯底与杯口设有倒角，因此几何模型用专业建模软件建立，本文采用NX 10.0建立的高脚杯几何模型，其几何设定的几何参数来自市场常用的高脚杯数据如图2-1所示，高脚杯渲染图如图2-2所示。

图2-1高脚杯建模图

图2-2高脚杯渲染图

2）WB进行刚性球及冲击距离的设定

高脚杯的几何模型在NX 10.0建立完成后，将模型导出成文本文件保存后在WB中打开，用DM进行刚性球的建立与冲击距离的设定，这里分开建模的好处是便于冲击距离的设定与后期小球直径与冲击距离的修改调整，不必来回切换建模软件。刚性球的半径设为9mm，冲击距离设为0.1m。整个冲击系统建模如图2-3所示。

图2-3冲击系统模型

3）ANSYS APDL进行部分前处理

在WB中完成冲击系统的建模后，同样将文件保存为文本格式导入到ANSYS APDL中进行前处理。选择ANSYS LSDYNA仿真环境，首先设定单元为显示3D Solid164单元，再设定小球为刚体材料，高脚杯任意选择一种弹性材料（高脚杯是陶瓷材料，用UE编辑器直接修改关键字为*MAT_110）后进行网格划分设定，适当试错调试网格大小后的网格划分如图2-4所示。完成网格划分之后进行仿真时间，能量，沙漏控制（一般为默认）等分析设置，设置导出文件为LSDYNA的K文件保存至指定文件夹完成部分前处理操作。对于接触、边界条件、载荷曲线设置ANSYS环境内设置相对LSPP较为繁琐，故集中在LSPP中处理。

图2-4模型的网格划分

4）LSPP中进行剩下前处理（接触、约束、载荷、边界条件、SPH建模）

为了避免小球高速冲击高脚杯引起的网格畸变。大变形而导致计算终止的问题，首先需要对有限网格的高脚杯进行SPH粒子转化。（本文采用SPH是经过多次仿真调试才选定的结果，初始采用的有限网格的高脚杯算例在计算过程中经常异常终止，多次调试参数后仍然出现此种情况，故将高脚杯改为SPH模型，算例终于得以正常运算）SPH建立较为简单，使用SPHGEN命令直接转化有限网格的高脚杯几何体，然后删除建立的高脚杯网格PART即可。在完成SPH转化，设定SPH单元，control sph后，设定接触为自动点面接触，SPH模型底部设为约束SPC_SET,对于刚性球的设置，在设定球体的材料时就可以直接限定小球的自由度，保留一个Z向的平动自由度。最后是载荷曲线的设置，设定两条载荷曲线，分别对应高加速、低减速的冲击过程。两条载荷曲线如图2-5所示。

图2-5载荷曲线（a）加速曲线（b）减速曲线

5）UE修改K文件

本质上整个建模分析过程都可以通过UE编辑器直接编写关键字完成。这里只是通过UE编辑器完成一个材料本构关键字的编辑替换工作。将*ELASTIC本构替换为*MAT_110号陶瓷本构。

6）求解

用LSDYNA Solver求解K文件，生成的D3PLOT文件保存在预设设定的文件夹中。应当注意每次求解都应该设定一个文件夹保存，避免D3PLOT文件的前后覆盖。

3结果分析

3.1杯壁破坏状态分析

小球依次穿过杯壁的A面外侧、A面内侧、B面内侧、B面外侧，如图2-6所示。在t=0.174ms、0.182ms、0.223ms、0.231ms时杯壁的破坏程度（损伤图如图2-7所示）分析：A面外侧损伤小，A面内侧破碎后损伤最为严重，边缘损伤扩散明显，而B面内外两侧破碎后损伤基本没有区别，且损伤区域比A面小。这是由于刚性球首先冲击A面吸收了大部分动能，因此冲击速度降低，B面的损伤因此比A面小；另外杯壁A面的曲面造型是凸型，因此A面内外两侧损伤差距明显，而B面的曲面造型是凹下去的，因此B面内外两侧损伤差距不明显。