ABAQUS6.12：非线性动力学问题实例

在机械、军工等领域，冲击碰撞是一种非常常见的现象，如汽车碰撞试验、子弹穿甲及叶片脱落等。本节实例是对此类现象发生过程的模拟。非线性动力学分析对于事故预防分析有重要的意义。

如图12-60所示为钢球和圆形钢板模型，钢球的半径为0.05m，钢板的半径为0.25m，厚度为0.05m，假设钢球以垂直于钢板500m/s的速度、平行于钢板1000m/s的速度冲击钢板，冲击时间为4E-5s，分析钢板对钢球冲击的响应。

（1）启动ABAQUS/CAE，单击按钮，弹出图12-61所示的“创建部件”对话框，“类型”选择“旋转”，单击“继续”按钮，在草图中绘制如图12-62所示的草图。

图12-60 钢球和钢板模型（钢板只取一半）

图12-61 “创建部件”对话框

图12-62 草图

（2）完成草图后单击中键，弹出图12-63所示的“编辑旋转”对话框，设置旋转“角度”为“360”，单击“确定”按钮，生成如图12-64所示的模型。

图12-63 “编辑旋转”对话框

图12-64 旋转完成

（3）单击按钮，弹出图12-65所示的“创建部件”对话框，“类型”选择“拉伸”，单击“继续”，在草图中绘制如图12-66所示的草图。

图12-65 “创建部件”对话框

图12-66 草图

（4）完成草图后单击中键，弹出图12-67所示的“编辑基本拉伸”对话框，设置“深度”为“0.05”，单击“确定”，生成如图12-68所示的模型。

图12-67 “编辑基本拉伸”对话框

图12-68 拉伸完成

（5）进入“属性”模块，单击，弹出图12-69所示的“编辑材料”对话框，选择“通用”下的“密度”，定义“质量密度”为“7800”，再选择线弹性材料，按图12-70输入“杨氏模量”与“泊松比”，单击“确定”完成材料的创建。

也可在“关键字编辑器”中使用如下命令。

图12-69 “编辑材料”对话框

图12-70 线弹性材料数据

（6）单击，弹出图12-71所示的“编辑材料”对话框，选择“通用”下的“密度”，定义“质量密度”为“7800”，再选择线弹性材料，按图12-72输入“杨氏模量”与“泊松比”，单击“确定”完成材料的创建。

图12-71 “编辑材料”对话框

图12-72 线弹性材料数据

再选择“力学”下的“塑性”，输入屈服应力、塑性应变数据如图12-73所示。

再选择主菜单中的“模型→编辑关键字”命令，弹出“关键字编辑器”，在Material块后再添加一个块，输入如下文字。

如图12-74所示，单击“确定”完成。

图12-73 塑性材料参数

图12-74 编辑关键字

也可以使用如下命令。

（7）参考前面的章节，完成两个材料对应截面的创建，均为均质实体截面，并将Steel_Ball对应的截面指派给部件Ball，将Steel_Plate对应的截面指派给部件Plate。

或者在“部件”模块中使用如下命令。

（8）进入“装配”模块，单击“创建实例”按钮，弹出图12-75所示的“创建实例”对话框，完成两个部件的实例化如图12-76所示。

图12-75 “创建实例”对话框

图12-76 实例化

（9）单击按钮，拾取球体，单击中键，接受默认的起点坐标，单击中键，输入平移矢量的终点坐标为“0，0，0.1”，单击中键完成平移如图12-77所示。

图12-77 将球平移

（10）进入“分析步”模块，单击按钮，弹出图12-78所示的“创建分析步”对话框，输入分析步名称，选择“通用”分析步中的“动力，显式”。

单击“继续”，弹出图12-79所示的“编辑分析步”对话框，输入“时间长度”为“4E-5”，单击“确定”完成分析步的创建。

或者采用如下方式也可以。

图12-78 “创建分析步”对话框

图12-79 “编辑分析步”对话框

（11）进入“相互作用”模块，在此模块中定义接触。

单击按钮，弹出图12-80所示的“创建相互作用属性”对话框，输入相互作用的名称，“类型”选择“接触”。

图12-80 “创建相互作用属性”对话框

图12-81 “编辑接触属性”对话框

单击“继续”，弹出图12-81所示的“编辑接触属性”对话框，直接单击“确定”，完成一个无摩擦的接触属性的定义。

由于本例使用默认选项，因此命令比较简单。

（12）选择菜单栏中的“工具→参考点”命令，或者单击拾取球心点，单击中键，创建一个位于球心的参考点。

（13）单击按钮，弹出图12-82所示的“创建约束”对话框，选择“刚体”，单击“继续”。

弹出图12-83所示的“编辑约束”对话框，区域类型中选择“体（单元）”，单击按钮，拾取球体单击中键，使用上一次创建的点作为参考点，再单击“确定”，将球体定义为刚体。

图12-82 “创建约束”对话框

图12-83 “编辑约束”对话框

或者可以使用如下命令。

（14）返回“部件”模块，进入Plate部件的定义。使用菜单栏中的“工具→分区”命令，弹出图12-84所示的“创建分区”对话框。

选择“几何元素→草图平面分区”，在视图区中拾取一个半圆，再拾取它的直径，进入草图，绘制如图12-85所示的半圆。

单击中键，模型如图12-86所示，在图12-84所示的“创建分区”对话框选择“拉伸/扫掠边”，拾取图12-87所示的封闭曲线。

单击中键，选择“沿某条边扫掠”，拾取图12-88所示的边，单击中键，完成分区如 图12-89所示。

（15）单击按钮，弹出图12-90所示的“创建相互作用”对话框，选择“表面与表面接触（Explicit）”，单击“继续”。

图12-84 “创建分区”对话框

图12-85 绘制半圆

图12-86 平面分区

图12-87 用于扫掠的边

图12-88 扫掠方向

图12-89 完成分区

选择球面为主表面，第二表面为钢板上的分区部分，单击中键，弹出图12-92所示“编辑相互作用”对话框。接受默认设置，单击“确定”完成。

也可以使用如下命令。

图12-90 “创建相互作用”对话框

图12-91 接触面

（16）进入“载荷”模块，单击按钮，弹出图12-93所示的“创建边界条件”对话框，选择“对称/反对称/完全固定”，单击“继续”，拾取图12-94所示的面。

图12-92 “编辑相互作用”对话框

图12-93 “创建边界条件”对话框

单击中键，弹出图12-95所示的“编辑边界条件”对话框，选择“完全固定（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）”，单击“确定”，固定的模型如图12-96所示。

（17）重复上述操作，为钢板的对称面添加X方向的对称约束。在命令中，这种操作更为简单。

图12-94 拾取的面

(www.xing528.com)

图12-95 “编辑边界条件”对话框

图12-96 固定约束

（18）单击按钮，弹出图12-97所示的“创建预定义场”对话框，选择“分析步”为“Initial”，“类别”为“力学”，“可用于所选分析步的类型”为“速度”，单击“继续”，拾取球，单击中键，弹出图12-98所示的“编辑预定义场”对话框。

按图12-98输入各方向的速度，单击“确定”。

在命令中，实现这个操作较为简单，只要将以下命令放在STEP之前就可以。

（19）进入“网格”模块，单击，按图12-99所示的边的单元数为各边布种。完成边的布种的模型如图12-100所示。

单击按钮，为平板指派C3D8R单元。单击按钮，完成钢板的划分如图12-101所示。

图12-97 “创建预定义场”对话框

图12-98 “编辑预定义场”对话框

图12-99 各边单元数

图12-100 完成边的布种

（20）切换到Ball部件，单击按钮，弹出图12-102所示的“网格控制属性”对话框，将单元改为“以六面体为主”。再单击按钮将球划分，如图12-103所示。

图12-101 Plate部件的单元

图12-102 “网格控制属性”对话框

（21）单击按钮，拾取整个模型的网格，弹出图12-104所示的“检查网格”，单击“高亮”。

图12-103 Ball部件的单元

图12-104 “检查网格”对话框

在信息区显示如下信息：

即网格无错误，可以进入分析。

（22）单击按钮，弹出图12-105所示的“创建作业”对话框，输入作业名称，单击“继续”，弹出图12-106所示的“编辑作业”对话框，接受默认设置，单击“确定”完成作业的创建。

图12-105 “创建作业”对话框

图12-106 “编辑作业”对话框

提交检查之前，先在“关键字编辑器”中输入如下命令。

完成对输出请求的修改。

（23）单击按钮，弹出“作业管理器”对话框，单击“写入输入文件”，再单击“数据检查”。信息区中显示：

说明检查通过，可以提交分析，单击“提交”即可。

本例提供完整的INP文件，详见光盘文件。

（24）完成分析后，进入“可视化”模块进行后处理。

单击，选择“主变量”下的位移，如图12-107所示，单击“确定”，在视图区中显示位移云图如图12-108所示。

图12-107 选择主变量下的平移

图12-108 空间位移云图

单击，选择“主变量”下的应力，如图12-109所示，单击“确定”，在视图区中显示应力云图如图12-110所示。

图12-109 选择主变量下的应力

图12-110 应力云图

单击，选择“主变量”下的加速度，如图12-111所示，单击“确定”，在视图区中显示加速度云图如图12-112所示。

图12-111 选择主变量下的加速度

图12-112 加速度云图

单击，选择“主变量”下的速度，如图12-113所示，单击“确定”，在视图区中显示速度云图如图12-114所示。

图12-113 选择主变量下的速度

图12-114 速度云图

单击，选择“主变量”下的塑性应变，如图12-115所示，单击“确定”，在视图区中显示塑性应变云图如图12-116。

图12-115 选择主变量下的塑性应变

图12-116 塑性应变云图

单击，选择“主变量”下的反作用力，如图12-117所示，单击“确定”，在视图区中显示反作用力云图如图12-118所示。

单击，选择“符号变量”下的加速度，如图12-119所示，单击“确定”，在视图区中

显示加速度符号如图12-120所示。

图12-117 选择主变量下的反作用力

图12-118 反作用力云图

图12-119 选择符号变量下的加速度

图12-120 加速度符号

单击，选择“符号变量”下的反作用力，如图12-121所示，单击“确定”，在视图区中显示反作用力符号图如图12-122所示。

单击，选择“符号变量”下的应力，如图12-123所示，单击“确定”，在视图区中显示应力符号图如图12-124所示。

图12-121 选择符号变量下的反作用力

图12-122 反作用力符号

图12-123 选择符号变量下的应力

图12-124 应力符号

单击，选择“符号变量”下的位移，如图12-125所示，单击“确定”，在视图区中显示位移符号图如图12-126所示。

单击，选择“符号变量”下的速度，如图12-127所示，单击“确定”，在视图区中显示速度符号图见图12-128。

图12-125 选择符号变量下的位移

图12-126 位移符号

图12-127 选择符号变量下的速度

图12-128 速度符号

单击按钮，弹出图12-129所示的“创建XY数据”对话框，选择“ODB历程变量输出”，单击“继续”，弹出图12-130所示的“历程输出”对话框。

选择“Artificial Strain energy：ALLAE for Whole Model”，即全模型的名义应变能，单击“绘制”，得到应变能曲线如图12-131所示，选择“Internal energy：ALLIE for Whole Model”，绘制出内能曲线如图12-132所示。

图12-129 “创建XY数据”对话框

图12-130 “历程输出”对话框

图12-131 名义应变能曲线

图12-132 内能曲线

选择“Kinetic energy：ALLKE for Whole Model”，即全模型的动能，单击“绘制”，得到动能曲线如图12-133所示，选择“Plastic dissipation：ALLPD for Whole Model”，绘制出塑性耗散能曲线如图12-134所示。

图12-133 动能曲线

图12-134 塑性耗散能曲线

选择“Strain energy：ALLSE for Whole Model”，即全模型的应变能，单击“绘制”，得到应变能曲线如图12-135所示，选择“Viscous dissipation：ALLVD for Whole Model”，绘制出粘性耗散能曲线如图12-136所示。

图12-135 应变能曲线

图12-136 粘性耗散能曲线