基于ANSYS/LS-DYNA的跌落測試分析

張 揚，吳新麗，李四平

ZHANG Yang1,2，WU Xin-li3，LI Si-ping2

（1.南陽理工學院 土木工程學院，南陽 473004；2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3.南陽理工學院 教育學院，南陽 473004）

0 引言

有些產品在運輸和使用過程中，極易受到外部跌落碰撞沖擊而發生損壞，例如電子產品、玻璃制品等。大部分產品在研發階段都要對其進行跌落測試分析。目前，可以通過跌落與沖擊結構試驗和計算機仿真兩種方法進行跌落測試分析。跌落與沖擊結構試驗存在以下不足之處：耗費人力、財力，增加成本；試驗重復性差；較難觀察試驗過程中的現象以及產品的內部特性等。

ANSYS/LS-DYNA是著名的通用顯式非線性動力分析程序，能夠模擬各種復雜的材料非線性、幾何非線性和接觸非線性問題，特別適合求解高速碰撞、爆炸和金屬成形等非線性動力沖擊問題。在ANSYS/LS-DYNA中有專門用于跌落測試分析的程序模塊DTM（Drop Test Module），可以利用DTM高效地進行產品的跌落測試分析。

1 相關理論[1～5]

ANSYS/LS-DYNA以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能。ANSYS/LS-DYNA的顯式時間積分采用中心差分法在時間t求加速度：

式中第一項為當前時刻單元應力場等效節點力，Fh為沙漏阻力，Fc為接觸力。

節點的速度：

節點的位移：

式中：

新的幾何構形由初始構形加上位移增量獲得，即：

2 跌落測試分析基本流程

在ANSYS Launcher中，選擇ANSYS/LSDYNA，同時選中Add-On Module一欄的LS-DYNA（-DYN）復選框，即可啟動DTM模塊。ANSYS/LS-DYNA進行跌落測試分析的基本流程，如圖1所示。

圖1 基于ANSYS/LS-DYNA跌落測試分析的基本流程

在建立或輸入模型時，需要注意以下兩點：1）必須要定義材料的密度和彈性模量，并且數值不能為零，否則將無法計算，同時最好定義阻尼選項，以消除計算過程中的數值振蕩。2）最好避免使用三角形單元、四面體單元、棱柱單元。

有限元模型創建好后，通過Main Menu>Drop Test>Set Up，彈出Drop Test Set-up對話框（見圖2）。在Basic標簽下設置跌落測試分析的基本參數，包括設置重力加速度、跌落高度、測試物體的方位、計算時間和計算輸出參數等。在Velocity標簽下設置跌落測試分析的初速度。在Target標簽下設置跌落測試分析的目標面特性。在Status標簽下顯示摘要，正確設置跌落測試分析的參數后，摘要的結尾會出現“Successful Set-up.Ready to drop.”字樣，表示程序數據檢查無誤，此時可以選擇Main Menu>Drop Test>Solve命令進行求解。

圖2 Drop Test Set-up對話框

3 跌落測試分析實例——玻璃魚缸的跌落仿真分析

本文選取玻璃魚缸為研究對象，應用ANSYS/LS-DYNA對其自由跌落于混凝土地面進行仿真分析。玻璃魚缸的壁厚5mm，總的高度210mm，其中底部高30mm，底部直徑130mm，魚缸上部開口的外徑190mm，幾何模型如圖3所示。通過查閱相關資料[6]，得到玻璃和混凝土的材料參數，具體見表1。選用SOLID164單元進行網格劃分。SOLID164是三維顯式結構實體單元，有8個節點構成。共得到4553個節點和2762個單元，有限元模型如圖4所示。

表1 材料參數

在Drop Test Set-up對話框的Basic標簽下設置跌落測試分析的基本參數：重力加速度9810mm/s2、跌落高度1500mm、測試物體的方位、計算時間和計算輸出參數等，如圖2所示。在Velocity標簽下設置玻璃魚缸的初速度為零（自由跌落）。在Target標簽下設置目標面特性為混凝土材質。

考察兩種測試物體的方位。一種是平跌落，玻璃魚缸底部同時觸地，這是一種理想化的狀態，如圖5所示。另一種是傾斜跌落，因為玻璃魚缸的底部比較重，往往是底部先著地，假設玻璃魚缸底部與地面成30o，如圖6所示。

玻璃魚缸平跌落時，其與混凝土地面接觸瞬時的等效應力云圖，如圖7所示，最大等效應力為0.117GPa。傾斜跌落時，接觸瞬時的等效應力云圖，見圖8，最大等效應力為0.292GPa。

圖5 平跌落

圖6 傾斜跌落

圖7 平跌落的等效應力圖

圖8 傾斜跌落的等效應力圖

4 結束語

ANSYS/LS-DYNA中的跌落測試分析程序模塊DTM的功能十分強大。利用DTM來模擬分析產品的跌落和受力情況，不僅可以減少試驗次數和節省很多成本，避免破壞性試驗帶來的損失，而且可以直觀動態地顯示整個跌落碰撞過程中各種物理量的變化，彌補和解決傳統跌落與沖擊結構試驗的不足之處。

[1]王澤鵬,胡仁喜,康士廷.ANSYS 13.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2]趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京:兵器工業出版社,2003.

[3]丁剛毅.ANSYS/LS-DYNA算法基礎與使用方法[M].北京:北京理工大學出版社,1999.

[4]尚曉江,蘇建宇.LS-DYNA動力分析方法與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[5]龔曙光.ANSYS工程應用實例解析[M].北京:機械工業出版社,2003.

[6]陳志源,李啟令.土木工程材料[M].武漢:武漢理工大學出版社,2003.