Workbench Ls-Dyna参数化霍普金森杆(SHPB)冲击仿真详解

霍普金森杆冲击试验是研究材料在高应变率下的力学行为的最基本的手段，国家标准《GB T 34108-2017 金属材料 高应变速率室温压缩试验方法》对霍普金森杆冲试验的原理与方法做了详细说明，本文末附有标准原文。

试验一般具有周期长，成本高，误差不可控等缺点。更多的研究是进行少量试验，结合CAE仿真以更低成本的研究材料在不同参数下的性能变化，同时可以对试验进行误差分析和结果验证。Ls-Dyna则是动态冲击仿真领域的先驱者和领导者。

本文通过一个简单案例介绍通过Workbench Ls-Dyna软件完成霍普金森杆冲击的一般流程。在Workbench界面下，不仅仅可完成Ls-Dyna的绝大部分前处理，还能方便的在图形界面下实现全参数化仿真。本例采用的软件版本为Ansys Workbench 2021 R2。

1. 案例介绍

入射杆、透射杆、撞击杆、试样均为圆柱形，按照下图排列。入射杆、投射杆的中间位置装用应变传感器，撞击杆以一定的轴向速度撞击入射杆，获取冲击后一定时间内入射杆上的入射波和反射波应变相应，以及透射杆上的透射波应变响应。

2. 分析过程

2.1 几何建模与材料参数

初始几何参数及撞击速度如下表，单位吨，毫米，秒。

采用DM完成参数1/4模型参数化建模，杆件轴与Y轴重合，位移X轴正半区。设置了入射杆与透射杆中部自动切分后共节点操作，便于后续选择需要输出的应变单元。

材料参数杆件采用线弹性本构（Mat1）,结构钢，试样采用简单JC本构（Mat98），某牌号钢材。

2.2 材料设置、对称边界、接触与网格划分
 

A. 分别将杆和试样的材料参数赋予对应的结构；

B. 添加对称边界条件，分别设置杆和试样关于全局坐标系下X平面对称和Z平面对称；

C. 分别设置撞击杆与入射杆、入射杆与试样、试样与透射杆之间的无摩擦接触，并将接触的自动刷新设置为否；

D. 网格控制中，添加全部几何体多区域网格划分及尺寸控制，得到完成模型的映射网格。

本步骤设置结果如下：

2.3 求解设置

A. 通过表方式的命名选择，精确自动获取入射杆与透射杆上的应变片单元，并创建单元集

B. 通过关键词管理，添加DATA_HISTORY_SOLID_SET关键字，并选择上一步设置的命名选择。

C. 对撞击杆添加初始速度，并对每一个接触添加接触特性，设置接触为AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE（此为默认设置，可省略）；

D. 在分析设置中，求解时间设置为大于应力波在1.5走过1.5倍杆长所需的时间，建议设置为走过2倍杆长所需时间（本例设置为8e-4s）；根据电脑配置设置CPU个数及内存信息。全局沙漏控制类型为Flanagan-Belytschko Stiffness Form，数值为0.1。根据自己需求设置所需输出的动画个数（默认为20个，本例设置为40），并在时间历史输出中增加Elemate Data输出，输出时间间隔2e-7s。

E. 后处理中添加输出应变片单元的总机械应变（或y方向机械应变），并采用图表功能把入射杆应变片应变和透射杆应变片应变显示在一张图中。提交计算，本算例网格较粗，计算时间大约2分钟。

3. 结果展示

A. Workbench后处理结果，数据提取自D3plot，只有40个点。入射杆、透射杆应变及能量曲线图如下。

B. Hyperview后处理结果，数据提取自时间历程数据binout文件，有4000个点，数据更光滑。入射杆、透射杆应变及能量曲线图如下，入射杆应变峰值-0.0029334，透射杆应变峰值-0.0019087.

4. 其他说明

本例完全采用Workbench Ls-Dyna参数建模，修改其中任意结构、材料、网格、边界、载荷等设置，更新后均可自动得到新的仿真结果。例中采用Ansys Workbench2021R2，其中文设置方法如下。

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