弹托弹芯结构接触静力学分析

元计算

1、问题描述：
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。
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。

' A2 X/ y. h0 e) V) ], J
  ^5 o; J" [( s8 L3 m' v图1  计算模型剖面图   （单位：mm）
2 k. N1 ^, L' G& E$ S) B4 K

图2  计算模型侧视图
2、材料参数：
" ]4 S- O) a. I: q0 W2 O只有两种材料：铝和钨。
% Z  ?1 F( a/ a7 d5 X表1  材料参数取值
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
单 位        N/mm2                g/cm3        mm/s2        mm/s2        mm/s2
7 I7 K5 P" K+ z; P3 p  \1 d金属铝        1.03×107        0.33        2.7        0        0        0
金属钨        3.6×105        0.346        17.6        0        0        0
- |7 f% D" f8 Q2 Z0 }2 j0 W3、边界条件：
7 I5 F2 O; \# L+ c+ m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。
+ w: ]+ }1 e5 m
* Z/ ~$ A+ B# x/ ^# r3 y3 O) @
, l- x$ T: _4 t

图3  位移边界条件
. ~  k" Z- P* x+ M. H$ W! r" C

& W" w( t2 @& [! k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）。
4 H+ T2 S! l1 v3 Z
' z; R( E, n! ^; T" J
图4  应力边界条件
) S. l& v7 w' A8 D4 L/ K4、计算方案
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
" O# l2 f8 ~0 w  e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
8 x% @9 M. w8 u) t7 z' b8 }* C方案1        362        800        600
方案2        362        200        362
. y  i2 b8 Y! Q' M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”；
; u4 M, [: ?4 S3 d# M6 P( I“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
. D; a4 H2 k0 S7 X0 a4 k% L! l采用四节点四面体单元剖分三维网格。
1 J+ s; d( _) ^" K剖分结果：节点总数：18,379；
          单元总数：87,318。
7 d& c8 y* {1 ^; {% @6 x! I2 B网格质量良好。
   
, d1 |. P7 Z0 m" {9 G  `
5 }! k& ?( ~5 J图5  三维网格图
) ^" \  s, }! e' T

6、计算结果
/ i6 f% e7 u+ _0 C! N' ^- ?  b* z位移：
( O  z6 K" S+ M5 o; c5 z; K7 t, o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）。
! l6 E# }5 p1 `
3 s$ O( c. a6 p- @$ S1 E( j7 K
图6  沿轴向变形云纹图  （单位：mm）


! M( a( h' q6 ?' P图7  剖面变形前后对照图
, h6 Z' A% V5 q0 t1 c; e6 u应力
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）。
, Z( S# H0 Y0 _3 C
8 _, y7 V8 k- }% ?图8  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）


; f5 n5 ]9 N2 l) U  w
+ l# c& F$ }, [) P0 ~/ @5 Z图9  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）


5 H5 Z3 ~8 x, `2 e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。
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。


图11  缝隙分布图
% p! [# e! ~+ K5 G/ z8 r! k1 k计算位移结果：
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）。

* k" s, N: a0 S" k; p
( W: B4 f+ q$ C: o% W2 l
( C8 s- s" e! ]" W图12 沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
! L' D% @+ F; e( u& r7 l5 `计算应力结果：
. \! z9 @: J9 F4 H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）。


8 _# }4 E3 |, X* f( s
图13  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）



/ i: w: l: M7 D4 D. e图14  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）

3 f6 l! Z) I/ H/ P5 _4 b
图15  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
$ a  e. v0 T( j) |
# r0 i$ v$ ]1 c! R8 H

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？

$ @% G  h9 E0 e6 }5 y9 d

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。