Workbench Ls-Dyna参数化霍普金森杆SHPB冲击仿真2D版

本案例软件版本为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。

SHPB示意图

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。

模型尺寸

几何属性修改为2D。采用DM完成SHPB轴对称模型参数化建模，旋转轴为Y轴（必须设置），模型位于X轴正半区。另外本案例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。（本例模型直接在1/4对称实体模型上抽壳得到，共享其参数）

2D 模型

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。

材料参数

2.2 材料赋予、轴对称设置、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. 设置分析类型为2D 轴对称；

C. 分别设置撞击杆与入射杆、试样与入射杆、试样与透射杆之间的无边-边摩擦接触，入射杆和透射杆均为目标面，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面网格尺寸控制，得到完成模型的映射网格。

本步骤设置结果如下：

网格、接触等设置

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

应变片单元集

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

DATA_HISTORY_SHELL_SET

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_NODE_TO_SURFACE；

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（实际可足够细化，2DS轴对称计算很快），计算时间不到半分钟。

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。

Workbench 应变时程曲线

Workbench 能量曲线

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-0.0030416，透射杆应变峰值-0.0019047.

Hyperview应变与能量时程曲线

应力云图

C. 通过Hyperview将3D与2D计算的应变曲线放在同一图中，可以看到曲线几乎重合，偏差非常小。

2D与3D仿真应变时程曲线对比

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。

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