弹托弹芯结构接触静力学分析

元计算

1、问题描述：
$ E' e. L, v. k0 {. N弹托弹芯结构具有轴对称性，取总体的四分之一进行分析，几何模型如下图所示。
; g6 P7 t! v8 v4 J' P; E共有两种材料：外围弹托为金属铝材料结构，内部弹芯为金属钨材料结构，两种材料结构之间锯齿状啮合紧密。
$ p- M  y0 u  _6 G

图1  计算模型剖面图   （单位：mm）
( x- U! b7 g' r, S1 S" s$ ?( o: d

8 S; g; K- W$ T3 f/ o/ a图2  计算模型侧视图
2、材料参数：
% C. I7 p  R8 f0 @只有两种材料：铝和钨。
表1  材料参数取值
3 G6 o3 E6 [8 Q! F4 p  Z参 数        弹性模量E        泊松比        密 度        X向加速度        Y向加速度        Z向加速度
( m5 x- @. v- c& F单 位        N/mm2                g/cm3        mm/s2        mm/s2        mm/s2
8 p  y$ G, `0 [9 o* h% u0 s金属铝        1.03×107        0.33        2.7        0        0        0
) R  M, M. I6 }( v. |0 N& r金属钨        3.6×105        0.346        17.6        0        0        0
3、边界条件：
+ W5 k4 G  c4 v由于结构的轴对称性，因此在四分之一剖切面处施加法向位移约束，另外在金属铝结构外表面两处位置（如下图位移边界条件所示中“黄色”面）施加沿轴向的位移约束边界条件。

' B- ~# B% n- h7 m4 ^
8 `# ~' E1 d$ M

图3  位移边界条件

8 f% Q" K: K/ n  h
金属钨结构沿轴向的顶面和底面，以及金属铝结构外表面、金属钨结构外表面的局部位置施加应力边界条件（如下图应力边界条件所示中“蓝色”面）。
, d+ c# F. d* I8 G7 C, z7 i2 U: J( h9 ^% r
4 l" s9 e, p$ |6 s- m
图4  应力边界条件
7 ?9 g9 U$ w! d) P, Z( n( z% ^4、计算方案
# ~7 f. i9 ?3 _$ ^设计了两种计算方案，施加不同的应力边界。
对照图4（本页）中应力边界条件的施加，两种方案如下表：
表2  不同计算方案下的应力边界
( d( z% l! j7 m& r( m  w边 界        应力边界1        应力边界2        应力边界3
单 位        N/ mm 2        N/ mm 2        N/ mm 2
方案1        362        800        600
% ^" K% a2 k5 j: F6 {( L4 `% h方案2        362        200        362
3 D3 l7 B# p! Y$ H注：“应力边界1”对应图4中的“蓝色”边界“1”；
“应力边界2”对应图4中的“绿色”边界“2”；
; M! T; c& ]1 a( ]$ T“应力边界3”对应图4中的“黄色”边界“3”；
应力边界以正值“+”为“压应力”，负值“-”为“拉应力”。
5、网格离散
采用四节点四面体单元剖分三维网格。
剖分结果：节点总数：18,379；
          单元总数：87,318。
网格质量良好。
   

图5  三维网格图


6、计算结果
位移：
在应力边界作用下，轴向最大位移为0.017 mm（如图6中的“红色”部位）。


图6  沿轴向变形云纹图  （单位：mm）

# d" f3 d0 x8 k5 I
图7  剖面变形前后对照图
9 S1 c6 J+ p+ e) M应力
/ H9 _8 O* n7 g最大拉应力1552 MPa（如图8中的“红色”部位），最大压应力3110 MPa（如图9中的“蓝色”部位）。

图8  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）

1 F0 e9 p9 [3 @2 y+ f; u7 j

# W9 B% B4 M. w/ ?+ m% _3 A6 V' n图9  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
" F' @$ w0 O% A* y# ~1 j

0 r& o+ s( H2 ?5 Q' g图10  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
7、考虑部分接触计算
前述两方案中均假定弹托与弹芯之间锯齿状啮合紧密，无相对变形。
- W+ Y2 `9 c( e5 B4 t% E本计算认为弹托与弹芯之间部分啮合紧密，而部分则存在缝隙，如图11，共在11处布置了宽度为0.01 mm的缝隙。

* L: y- w8 Z  w) G' D
图11  缝隙分布图
7 @3 L1 v5 U3 D. w计算位移结果：
, r7 {. r! k0 P& n在应力边界作用下，轴向最大位移为0.005 mm（如图12中的“蓝色”部位）。
- a# b; M/ @( A+ z* a1 c. r( Q) N

5 h, n  k9 w+ s( O6 @. @
, g% t: U6 b# ?8 o# f& z图12 沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
计算应力结果：
/ P" X" l7 N9 t! v' a! m0 p最大拉应力681 MPa（如图13中的“红色”部位），最大压应力3202 MPa（如图14中的“蓝色”部位）。
6 [7 G: ~" P" ]; H' R
1 a9 B1 Q  r5 L, z+ B
/ ~% _% }7 d2 Z# ]' L
图13  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）
. o2 C# l; q9 w# i4 @; V
1 C3 z1 A" Q7 e7 c: m
# _( t7 ]* P& D5 g" }' h
图14  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
+ U3 R, R$ _6 i  z5 x! S* H' x
4 o, E. z3 L  R+ H) h' `
* I1 `  J" D: ^+ y+ {# x图15  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）

0 \2 @+ ]1 c1 Q6 z. P. y

冯霜杰

收藏慢慢研究学习！

yuguang2008

图4，应力边界条件怎么没看到？

* N$ `, v5 G5 E; x

eddyzhang

不知道你用的材料是不是特殊材料。铝合金能承受这么大的拉应力吗？

mixin0756

穿甲弹

咪嗪

感觉能看懂了点，根据颜色不同，受力不同，呈现的效果最大应力不同计算材质和物体的形状是否达到要求，LZ是不是这个意思。。

逍遥处士

超静定配合，对精度的要求很高。只是楼主的结构，内芯不知道是怎么装进去的？

eddyzhang

刚好有个例子，看看对你有什么启发没有。