基于Ansys-workbench/LS-Dyna 的活塞冲击动力学分析

     ANSYS-workbench是ANSYS公司目前主推的有限元平台，相比经典界面APDL优点众多，能解决目前出现的各种仿真问题，该平台提供了强大的功能和较好的用户界面，包括集成的项目视图和无缝集成的参数管理，可以采用拖拽的方式完成多物理场的分析流程，并且在前处理方面优秀于其它有限元软件。该仿真平台设置简单，推动了仿真产品的设计。本文采用的是显式动力学分析的模块（Explict dynamic(LS-Dyna)。

     LS-Dyna是非线性显式分析的常用有限元软件，具有很强的通用分析能力，能完美解决各种接触冲击爆炸等复杂的动力学问题，有限元程序的求解问题由LS-Dyna求解器完成。目前LS-Dyna的分析和求解功能已经非常强大，可以进行动力学，静力学，结构-流体耦合，电磁场，温度场，耦合场等分析，功能齐全且应用领域广泛，可用于研究啮合、接触等冲击问题的影响。本文采ANSYS-workbench和LS-Dyna软件对凿岩机冲击系统进行有限元数值模拟，利用Ansys-workbench进行前处理，生成LS-Dyna程序关键字（keyword）文件或称为K文件，然后调用Ansys Product launch中的LS-DYNA SOLVER求解器对K文件进行求解，生成对D3plot结果文件，并运用LS-PREPOST后处理器对结果文件进行查看。

1.1 有限元分析流程

（1）基于SolidWorks软件进行三维建模。

（2）基于ANSYS-workbench平台下的mesh进行冲击系统的网格划分。

（3）基于ANSYS-workbench平台下的explict dynamic（LS-Dyna）模块添加冲击系统分析的边界条件等。

（4）使用 UltraEdit 修改和添加 K文件的关键字。

（5）调用LS-Dyna SOLVER求解器，对K文件求解。

（6）LS-prepost查看结果。

1.2凿岩冲击系统有限元建模

    凿岩机在工作过程中，冲击系统中活塞，钎尾，钎杆等受力状态很复杂，本章分析的重点是活塞，在进行建模时，需提出几点假设：1 冲击系统各零件材料为各向同性，密度分布均匀；2.由于本章先要对理想情况下的冲击系统进行分析，这里假设活塞，钎尾，钎杆等零件均为理想状态即不考虑结构和材料的缺陷及加工，装配过程中的残余应力等。 

    凿岩机冲击系统实体模型包括：活塞，钎尾，钎杆，钎头，岩石等因为在发生碰撞时主要是活塞与钎尾发生碰撞，钎尾与钎杆通过螺纹连接在一起，因为本文考察的重点对象是活塞，并且在满足结构尺寸的要求下，假设将钎尾，钎杆作为一体。本文运用solidworks制图软件构建冲击系统实体模型，如图所示

                                           图1冲击系统三维图

  1）单元选择，定义材料和网格划分

    将建立的冲击系统三维模型另存为.xt文件，将.xt文件导入到ANSYS-workbench中，在网格划分之前需选择实体单元，ANSYS软件提供了常见的单元类型，如实体单元和弹簧阻尼单元等等，根据每种单元的算法不同和实际应用的需要，设计人员需要通过不同的命令流在ANSYS-workbench平台下，对单元进行选择或更改。本文所研究的是冲击系统的活塞，钎杆等，建立的均是实3D体,因此选择默认的solid164单元。 各零件材料性能参数在设置如表如表所示。

                              表1 冲击系统材质参数

  岩石采用花岗岩，为了准确描述其本构关系，添加多线性各向同性硬化材料模型Multilinear Isotropic Hardening 。借用文献中花岗岩本构方程的应力应变试验数据如图2所示：

                                图2 花岗岩本构方程的应力应变

    进入mesh进行网格划分，模型采用六面体实体单元划分，这种单元为结构化网格，采用二阶插值函数进行拟合，运算速度快，求解精度高，活塞钎杆钎头等插入多区域Mutizone网格划分方法，映射面类型选用Hexa类型，surface Mesh Method 选用Program Controlled 程序自动控制，Src/Trg Selection 选用Automatic 自动控制，并对活塞端面添加Mapped Face Meshing方法, 同时添加局部网格尺寸划分Body sizing 方法，为了保证求解精度和求解时间代价的平衡，设置活塞局部尺寸 为4mm,钎尾钎杆钎头局部尺寸 为6mm,岩石模型局部尺寸为10mm。网格划分规模节点数为90330，单元数量127871，网格生成后,需要对模型进行检查,检查模型是否存在致命的问题,如重复节点，重复单元，壳单元法向是否一致等等。 

                                  图3冲击系统有限元模型  

2定义接触，约束和施加初始条件

   本文研究是凿岩机冲击部件在极限工况下的动力学分析，活塞撞击钎杆，钎杆与钎头看着一体，钎头与岩石发生相互作用，将各部件均设为柔性体，活塞与钎杆表面选择Frictionless 无摩擦接触方式，同时，钎头与岩石接触表面选择Frictional 有摩擦接触方式，静摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.1。Frictionless用来模拟无摩擦的单边接触，冲击碰撞是非线性大变形问题,由于接触面无法预知且可能会发生接触的表面因变形而接触，常选择Frictionless接触方式，通过connection/Body Interaction/Definition type/Frictionless 设置。

    约束是对有限元模型进行自由度的添加，主要是限制移动和转动自由度，在极限工作的介质下，工作介质为坚硬的岩石，设置岩石沿活塞运动方向的fix support全约束，钎杆只具有沿活塞运动方向的自由度，用displacement 约束设置 ，约束完成后，还需要对冲击系统施加初始条件，由上一章介绍凿岩机工作原理可知，冲击系统高压油进入后腔，作冲程加速运动，在与钎尾发生碰撞前，活塞只受液压油的作用，当高速冲击碰撞钎尾，在很短时间（微秒级）内将产生巨大的冲击力，这个冲击力比液压的作用大得多，是活塞疲劳破坏的最主要原因，因此，将它作为研究的主要对象，设置活塞模型的整个body施加一定的初始速度即可完成初始条件的定义。通过Initial Condition/ Velocity/ x-Component= -11000mm/s定义。Explicit Dynamics/Analysis Settings/end time 对话框设置运行求解时间，因为本章研究的分析重点是冲击活塞的应力应变情况，为了节省计算量，运行时间设为4e-004s.为了由于过大的能量误差Maximum Energy error（%）导致求解的不收敛，这里设置为10

对输出文件进行设置：

 Explicit Dynamics/Analysis Settings/Output Controls/Save Results on /Equally Space Points,Number of points =20  Cycles =5000设置输出文件以相等时间步，总共为20个时间点，见图2-19 并点击solve求解，写入K文件，文件保存初始设置的文件夹下。

1.3冲击活塞的动态响应分析

1.3.1 冲击系统部件的动态响应

 下图为冲击活塞一次冲击响应在LS-prepost中的结果;下图为活塞冲击响应下x方向应力云图

                                       (a)t=0.02ms

                                       (b)t=0.08ms

                                       (c)t=0.1ms

                                        (d)t=0.2ms

                                     图4单元x应力时间曲线

    (1）图（a）~（d）中可知：活塞与钎尾发生碰撞后，能量以压力波的形式向活塞自由端传播，在压力波到达自由端之前，应力波到达位置承受较大的压应力，其余位置承受较小拉应力。

   （2）压力波达到活塞自由端后并发生反射，以拉应力形式向活塞撞击端传播，应力波达到的位置承受着较大的拉应力，其他部位承受压应力，验证了应力波理论。

   （3）图4为活塞撞击端面398603单元和中部386242单元x应力曲线，可知:在0~0.24ms内活塞端面承受着较大的压应力，随着压应力波传播，93918单元0.04ms后才产生压力波作用。      

图5是冲击过程中活塞和钎杆的速度和位移的变化曲线，其中红线A代表活塞，绿线B代表钎尾。

                           （a）活塞和钎尾（钎杆）速度曲线

                          （b）活塞和钎尾（钎杆）位移曲线

                           图4活塞和钎杆的速度和位移曲线

    由（a）（b）可知：在一次冲击过程中，活塞与钎杆发生碰撞，受到较大的接触力作用，初始速度11m/s迅速减小，钎尾（杆）速度逐渐增加，活塞与钎尾（杆）沿轴向方向的位移均在增加，钎尾在0.12ms-0.2ms之间速度增加的曲率稍微减缓，说明在0.12ms时，钎头与岩石相互碰撞并产生接触力，但岩石对钎杆的接触力此时小于之后活塞对钎杆的作用力，钎尾（杆）仍作加速运动，之后钎尾（杆）的速度随时间减小。在0.2ms左右活塞速度降为0，但活塞与钎杆并未分离，仍受到较大的接触力，并向反方向作加速运动且活塞轴向位移逐渐减小，当到达0.23ms左右时，活塞与钎杆发生分离，活塞并以1.6m/s左右的速度匀速反弹.整个冲击过程中，活塞和钎杆的速度和位移在时间上均对应的，与实际情况相符。

                         图5  0.12ms活塞的沿轴线的剖面米塞斯应力云图

   由图中可以看出：活塞内部应力分布不均匀且比较复杂，较大应力的位置也在不断变化，这是因为受到应力波的作用，应力波波峰经过的位置即为较大应力处，应力波在不断的传播过程中，较大应力位置也在不断改变。

   冲击活塞以V=11m/s碰撞钎杆时，在碰撞端面会产生较大沿轴向反方向的接触力，如图5所示，随着接触时间增大，接触力逐渐增大，0.12ms左右时，接触力达到最大值为320560N,并且接触力在最大值附近产生了较小的震荡，在0.23ms时，接触力降为0N.说明活塞和钎杆此时发生分离，这与上节中的速度曲线互相吻合

                               图5活塞碰撞端面的接触力曲线

    在冲击活塞碰撞端面中心沿轴向依次在2个网格内均取10个点，在活塞受到最大接触力0.12ms时，仿真求出每点轴方向的应变x-stran（mm/mm），并绘制成曲线如图6所示。

                              图6 x-stran变化曲线

     冲击活塞与钎杆发生碰撞时，受到冲击载荷作用，并且属于高频多次碰撞，冲击表面容易出现各种各样的损伤，最终以累积的塑性变形为主，每一次撞击都会给活塞造成一定的弹塑性变形，特别是撞击端面。图6是活塞撞击端面至心部2个网格长度内应变曲线，分析可知：冲击端面和心部产生的应变是不均匀的，表面应变最大，然后应变沿外到里成梯度逐渐减小。这是因为接触力的冲击性质，使得活塞表面的应力和能量沿表及里不均匀的分布且近似成指数型关系逐步递减。

1.4 冲击活塞最大应力分析

    利用 LS-PrePost 的 History 命令里面能够得出在整个冲击过程中活塞的最大应力的时间和位置。如图7所示，活塞的最大米塞斯应力且最大压应力均为398571单元，最大拉应力在374975单元。图8为单元的两处界面在活塞中的位置。

                   

                             图7 活塞最大米塞斯应力和最大拉压应力单元位置

                                     图8  单元所处位置

     从上图可以看出，活塞在整个冲击过程中，最大米塞斯应力和最大压应力出现在撞击端面中心靠近内孔倒角附近，且端面均受到较大的应力。这如上一节所述，因为碰撞受到较大的冲击力。最大拉应力出现在活塞后部的截面突变位置处,说明突变截面会产生应力集中。

图9为截面的单元处于最大压（拉）应力时，截面的应力云图.

     

                                

                                        图9 截面应力云图

    由上图可知：在该时刻上的截面的应力并不是均匀分布的，但呈中心对称分布，说明了二维理论计算的应力值并不能代表截面上某一处的实际值，它只能反映零部件的整体情况。为了更好研究活塞端面上各单元的应力分布，依次取端面中心沿径向外圆的四单元，提取四单元的应力变化曲线，如图10所示，端面单元在整个冲击过程中，大多时间均受压应力作用，在端面内孔附近和外圆附近应力较大，且各单元应力变化趋势相似，只是各个单元峰值有所不同。

                                    图10端面单元应力曲线

                                 图11 两单元应力曲线

     由于受到应力波的作用，活塞中的单元的应力应变值随时间不断变化的，下图11为两单元的x-stress应力变化曲线。（正值表示拉应力，负值表示压应力）

    由上图可知：整个冲击过程中，在0.12ms时活塞端面H398571单元达到最大压应力为607Mpa,且该单元也是最大米塞斯应力位置，最大应力531Mpa.在0.16ms时，活塞H374975达到最大拉应力105Mpa，均未超过活塞材料的屈服极限900MPa，但由于活塞总是处在复杂较大交变应力循环中，随着从冲击碰撞（循环载荷）次数的增加，在具有最大应力处的冲击端面处，某些局部不连续的应力集中处，含有微裂纹缺陷等处会发生疲劳破坏。

1.5 岩石硬度对冲击活塞应力谱的影响

    为了分析不同岩石对冲击活塞中的应力谱的影响，不同岩石表现为不同的硬度，本节将在Ansys-workbench/LS-dyna 中对凿岩机活塞进行多次冲击动力学有限元仿真试验。

    表2为不同种类的岩石的物理力学性能，其中普氏硬度F3-F10表示岩石的硬度大小，数字越大，岩石越硬。

岩石类型	普氏硬度	密度（g/cm3）	剪切模量 （Mpa）	抗压强度 （Mpa）	抗拉强度 （Mpa）
灰岩	F3	2.23	4	30	4
页岩	F6	2.45	12	62	6
白云岩	F8	2.48	15	90	8.5
花岗岩	F10	2.50	18	105	10

  图12为冲击系统凿入到四种不同的岩石时的冲击活塞端面的应力变化曲线。