【计算软件】ABAQUS平台

【算例说明】掌握Explicit求解的高级技巧和具体应用

【工程案例】

（1）  夏比冲击试验仿真分析（考虑材料失效）

（2）气囊展开作动过程分析（织物布料fabric）

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【说明分解】

1.显式动力学分析

1.1 Explicit求解器简介

ABAQUS/Explicit采用显式动力学直接积分的方式求解瞬态动力学问题，能够方便地进行高速冲击、跌落、碰撞等高度非线性仿真，并给出相当精确的结果。

此外，结合ABAQUS中的特殊单元（力热耦合等）、CEL、SPH、DEM等方法使得ABAQUS/Explicit在多物理场耦合分析方面也比较出色。

Explicit轮胎滑水流固耦合分析

1.2动力学方程的时间积求解

中心差分法：

可以逐步计算出每一时间步的速度、位移向量，进而求解应变、应力。

1.3稳定时间步长

Explicit自动时间步长大小由临界稳定时间步长Δtmin控制。求解时，当Δt>Δtmin时求解不稳定，整体能量不平衡，意味结果失真。

关于临界稳定时间步长：

①无阻尼系统，要求时间步长小于临界稳定时间步长。Δtmin与结构最高圆频率有关

②对于有阻尼系统而言，临界稳定时间步长与结构最高圆频率及其阻尼比有关

③当系统只由一种材料组成时，Δtmin与最小单元尺寸密切相关

1.4稳定时间步长的物理解释

可以理解为弹性波经过模型中任意一个单元的最小时间值，一个膨胀波传播速率由传播介质弹性模量及密度决定，传播速率可以表示为如下

假定单元特征长度为 Le，则临界稳定时间步可表示为如下

1.5稳定时间步长的评估

比如：

汽车构件多数采用钢材料，波速在5000(米/秒)，模拟时单元尺寸在20mm左右，因此临界稳定时间步长Δtmin＝4×10−6秒，通常一次汽车碰撞发生的时间在0.4秒，所以问题分析中所需要的增量步数在105左右。

对于全部是刚体的动力学分析，可以采用固定时间步长，注意（步长会影响接触计算的精度）。

2.夏比冲击试验仿真分析

2.1试验介绍

夏比冲击试验为单摆锤式冲击试验,中间带 V 型缺口的试块支在砧座上，类似于简支梁,通过摆锤落下冲击试块 V 型缺口对置面，这一过程的吸收能量取决与随后摆锤上升的高度。

可用于检测材料的韧性、缺口对于动态冲击的敏感性。

2.2仿真问题描述

冲击摆锤以2.5m/s的速度撞击带45°V型缺口的试件，摆锤质量1.5kg，使用mm-tone单位制建模。

1.2结果评估-能量平衡

ETOTAL跟其他能量相比，应该变化不太（将几条曲线plot在一张图里， ETOTAL 接近水平）。

ALLAE/ALLIE小于10%，用于评估沙漏能（静力学分析）。

准静态分析时质量缩放，要保证ALLKE/ALLIE小于5%。

3.气囊展开作动过程分析

3.1气囊用途

最常见的应用是汽车的前置安全气囊、侧窗气帘等；由于其展开速度较快，气体作用力均匀，所以气囊还可以当做推力作动器，用于分离机构的设计。

3.2气囊作动器

原理：气囊瞬间展开，推动质量块沿轨道运动。

3.3流体腔模拟技术fluid cavity

参考点与流体腔内表面构成流体腔单元F3D4，通过参考点控制流体腔内压的变化

3.4流体腔边界条件

定义在3ms的分析时间内，流体腔内压强从0线性增加到0.2MPa，如果想要施加随时间非线性变化的压强，通过Amplitude定义。

3.5分析结果

3.6质量块速度曲线

通过气囊的作动加速，质量块获得32.25m/s的初速度：