有限元分析报告

有限元仿真分析实验

一、实验目的

通过刚性球与薄板的碰撞仿真实验，学习有限元方法的基本思想与建模仿真的实现过程，并以此实践相关有限元软件的使用方法。本实验使用HyperMesh 软件进行建模、网格划分和建立约束及载荷条件，然后使用LS-DYNA软件进行求解计算和结果后处理，计算出钢球与金属板相撞时的运动和受力情况，并对结果进行可视化。

二、实验软件

HyperMesh、LS-DYNA

三、实验基本原理

本实验模拟刚性球撞击薄板的运动和受力情况。仿真分析主要可分为数据前处理、求解计算和结果后处理三个过程。前处理阶段任务包括：建立分析结构的几何模型，划分网格、建立计算模型，确定并施加边界条件。

四、实验步骤

1、按照点－线－面的顺序创建球和板的几何模型

（1）建立球的模型：在坐标 (0,0,0)建立临时节点，以临时节点为圆心，画半径为5mm的球体。

（2）建立板的模型：在tool-translate面板下node选择临时节点，选择Y-axis,magnitude输入 5.5，然后点击translate+，return;再在2D－planes-square 面板上选择Y-axis,B选择上一步移下来的那个节点，surface only ,size=30。

2、画网格

（1）画球的网格：以球模型为当前part，在2D－atuomesh面板下，surfs 选择前面建好的球面，element size设为0.5mm，mesh type选择quads，选择elems to current comp,first order， interactive。

（2）画板的网格：做法和设置同上。

3、对球和板赋材料和截面属性

（1）给球赋材料属性：在materials面板内选择20号刚体，设置Rho为2.000e-08,E为200000,NU为0.30。

（2）给球赋截面属性：属性选择SectShll,thickness设置为0.1，QR设为0。

（3）给板赋材料属性：材料选择MATL1，其他参数：Rho为 2.000e-08,E 为100000,Nu为0.30，选择Do Not Export。

（4）给板赋截面属性：截面选择SectShll，thickness设为0.2。其他参数:SHRE为8.333-01，QR为0，T1为0.2。

（5）给板设置沙漏控制：在Properties-Create面板下Card image选择HourGlass，IHQ为4，QM为0.100。更新平板。

4、加载边界条件

（1）将板上最外面的四行节点分别建成4个set。

（2）建立一个load collector。

（3）Analysis－constraints面板中，设置SIZE为1，nodes通过by sets 选择set_1、set_2、set_3、set_4，然后点击creat即可，边界条件加载完毕。

5、建立载荷条件（给球一个3mm的位移）

（1）建立一个plot: post－xy plots-plots-creat plot,然后点击return;

(2)在post-xy plots-edit curves面板中输入X{0，0，0.0001},Y{0,3}。

(3)给刚性球一个3mm的沿y正方向的位移：card image设为PrcrRgd,DOF 为2,VAD为2,LCID为1,SF为1,option选择Rigid。

6、接触处理

（1）做两个用于接触的segment：在Analysis-set_segment面板中，Card image选择setSegment，elems选择球这个part。重复操作对平板创建segment。要同时保证球的setsegment的方向朝外，plane的setsegment方向朝上。

（2）建立接触：

①对称接触：在Analysis-interfaces面板中,type选择SurfaceToSuface,Card image选择SingleSurface。master的contactsurfs选择球的setgment;slave的contactsurfs选择平板的setgment。点击edit后，

设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选OneWay。

②非对称接触：在Analysis-interfaces面板中,type选择SingleSurface,Card image选择SingleSurface。master的contactsurfs选择球的setgment;slave的contactsurfs选择平板的setgment。点击edit后，设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选smooth。

7、定义控制卡片

在Analysis-control cards面板中，

(1)选择Control_Enegy,将hgen设置为2；

(2) 选择Control_Termination,将ENDTIM设为0.0001s;

(3) 选择Control_Time_step,将DTINIT设为1*10-6s，将TSSFAC设置为0.6;

(4) 选择DATABASE_BINARY_D3PLOT,将DT设置为5*10-6;

(5) 选择DATABASE_OPTION，将MATSUM设置为1*10-6，将RCFORC设置为1*10-6。

8、删除临时节点

在geom中选择temp nodes，点击node，选择all，然后点击clear。

9、节点重新排号。

tool中选择renumber，然后选择all，最后点击renumber。

10、将文件导出成KEY文件。

11、生成的KEY文件导入LS-DYNA中，并运行。

12、打开后处理程序Ls-Prepost，点击file-open-ls-dyna binary plot，选择计算得到的d3plot结果。

13、点击下方运行按钮，观看碰撞动画。选择右边的ASCII按钮，选择rcforc 后，点击左边的Load按钮，再选择Sl或者Ma，然后选择最下方的Resultant force,最后点击Plot，观看冲击力随时间的变化曲线。

五、实验结果

1、对称接触情况

对称接触定义下，冲击过程中薄板的弹塑性变形过程如图1至图5所示。