基于LS-DYNA的圓鋼管落錘沖擊響應分析

王強（中鐵建設集團有限公司 北京 100040）

王麗平（西南科技大學土木工程與建筑學院 四川 綿陽 621000）

0 引言

在土木工程領域的相關研究中，由于鋼材具有高強度、自重較輕和穩定性好等特點，常用于大跨度建筑（構筑）結構中，其中鋼管構件由于截面中心對稱，截面特性各向同性，材料均勻分布在周邊以及截面抗彎剛度大等優點，作為桁架或塔架結構體系構件在橋梁、輸電塔、海洋平臺等結構中成為常用的結構鋼型材。這些結構往往處于邊坡下方，常會面臨落石等一些沖擊影響，對結構造成一定的損傷，甚至發生倒塌，造成相應的經濟損失。因此，對于圓鋼管構件在落錘沖擊作用下的動力響應進行分析，確定不同沖擊能量下圓鋼管的變形情況，為鋼結構設計提供相應的依據。

1 建立模型

LS-DYNA是常用的顯式非線性有限元分析軟件，主要包括幾何非線性、材料非線性以及接觸非線性，能求解各種非線性結構的碰撞沖擊問題。采用LS-DYNA的接觸分析，建立圓鋼管及落錘的有限元模型，其中鋼管建模采用solid164實體單元，同時采用雙線性等向強化模型來模擬圓鋼管材料，應力—應變曲線如圖1所示，為保證材料的受力均勻，避免在截面變化較大處劃分過細產生應力集中，網格劃分尺寸采用3mm×6mm。落錘采用solid164實體單元，并通過smartsize進行網格劃分，最終網格模型如圖2所示。

圖1 應力-應變曲線

圖2 鋼管及落錘有限元模型

2 模擬分析

2.1 確定工況

進行數值模擬時，通過改變落錘的沖擊速度而改變沖擊能量來確定扥洗工況，其工況如表1所示。

2.2 模擬分析

本文分析沖擊荷載作用下的以上各個模型分別在T=0.005s、T=0.01s以及T=0.04s時的變形以及應力分布情況。

表1 試驗工況

2.2.1 v=4.01m/s

落錘沖擊速度為4.01m/s時的變形及應力云圖如圖3所示。

圖3 變形及應力分布云圖

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

2.2.2 落錘沖擊速度為v=5.09m/s

落錘沖擊速度為5.09m/s時的變形及應力云如圖4所示。

圖4 變形及應力分布云圖

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

2.2.3 落錘沖擊速度為v=6.00m/s

落錘沖擊速度為6.00m/s時的變形及應力云圖如圖5所示。

圖5 變形及應力分布云圖

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

3.2.4 落錘沖擊速度為v=7.43m/s

落錘沖擊速度為7.43m/s時的變形及應力云圖如圖6所示。

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

圖3~6分別表示不同沖擊速度下圓鋼管的變形分布云圖及應力分布云圖。從表中變形分布云圖可以看出，在落錘沖擊時落錘與圓鋼管接觸點處率先發生一定變形，隨后，變形向四周擴散，鋼管逐漸發生變形。從表中應力分布云圖可以看出，圓鋼管在沖擊荷載下接觸點處以及兩端產生的應力較大，隨著時間的進行，兩端應力逐漸消失，僅接觸點處產生應力。由此可以得出，圓鋼管在與落錘接觸時，迅速產生變形，而隨著時間的增大，落錘與圓鋼管分離，鋼管發生彈性恢復，使鋼管最終變形減小。

圖6 變形及應力分布云圖

3.2.5 時程曲線對比分析

落錘在4個不同的沖擊速度下接觸點處的位移時程曲線如圖7所示。

圖7 位移-時間曲線

從圖7中可以看出，圓鋼管接觸點處與落錘接觸時迅速產生較大的變形，然后隨著時間的進行，圓鋼管變形逐漸恢復直至保持最終的變形情況。

4 結語

通過有限元軟件對落錘荷載作用下圓鋼管的沖擊動力響應進行分析，可以得出：圓鋼管在沖擊荷載作用下會產生相應的變形，且變形由鋼管與落錘的接觸點處開始向四周擴散；同時圓鋼管材料具有相應的彈性恢復能力，沖擊荷載越大，恢復的變形越小，鋼管最終產生的變形越大。