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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' W% Q& e& g0 H
1 D: {3 q! @: Q% B' @, t
图1 计算模型剖面图 (单位:mm)
( x- U! b7 g' r, S1 S" s$ ?( o: d$ |5 l8 p/ B2 Q! @5 Y; F
8 S; g; K- W$ T3 f/ o/ a图2 计算模型侧视图: j2 S& t. z0 L' z' T L
2、材料参数:
% C. I7 p R8 f0 @只有两种材料:铝和钨。9 ^% D8 d0 o; c l o" F
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& [* m* o4 H% @1 U& z
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。7 B, k' e Z9 X" A/ {; R$ R
' B- ~# B% n- h7 m4 ^
8 `# ~' E1 d$ M! O$ y0 ~0 g! G
0 a; W! b# D* {$ q5 G
图3 位移边界条件0 U$ B- X! K' m, M6 G% t8 u
8 f% Q" K: K/ n h5 D' W6 q4 U$ K( v
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- m8 H" W% m! k) ^9 b @
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。 w* v: ?+ f, k' p8 ?
对照图4(本页)中应力边界条件的施加,两种方案如下表:( G8 G. v" M2 p9 W; w
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31 K% C2 Q( ^& x& r. J. Y
单 位 N/ mm 2 N/ mm 2 N/ mm 21 V( s( v0 J( u( l8 r |
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”;0 M' ]% e4 G2 y
“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”;7 ^* L: t6 Q s; P7 R
应力边界以正值“+”为“压应力”,负值“-”为“拉应力”。2 I }9 ~+ w; Y8 O1 ^
5、网格离散% u8 R2 v' @, l$ m$ b4 t
采用四节点四面体单元剖分三维网格。: G8 R; B! G( e+ H k" ^/ {
剖分结果:节点总数:18,379;" J* _7 e9 ]9 i5 c# D
单元总数:87,318。& Y/ ^: s: A/ t( o- q; v" l
网格质量良好。& j9 X e/ M# b& M% S# F
. F( q6 w5 z- ]$ ?
# [. U, w! r) V' a8 Z& R
图5 三维网格图6 J+ D* r, y& Y S7 `8 n0 u, N
+ F' i5 G5 z6 d
) z% X' B8 w% @& y7 p
6、计算结果4 ~ c5 f0 a- \, p' v
位移:/ k+ M# J4 @ ^6 f9 u4 T
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)。. n1 Z$ g1 ]- m
* v" u8 k5 u ]! z
, o- L8 P% X3 @* f
图6 沿轴向变形云纹图 (单位:mm)/ m; f/ v( y! H6 ]. ]# l* g
# d" f3 d0 x8 k5 I
( F! R/ w$ V" ?
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)。/ ^: }# G+ b" H- L% i2 x
/ ~9 a8 V' L( y: Y/ N, Y' s
图8 第一主应力云纹图 (单位:N/mm2)$ O1 q. Y' j$ _7 R
1 F0 e9 p9 [3 @2 y+ f; u7 j* s1 Q# U6 ]1 s, S6 |: ?2 l8 K
# 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* A0 g i$ M2 J5 q' C
0 r& o+ s( H2 ?5 Q' g图10 剖面第三主应力云纹图 (单位:N/mm2)3 Q7 H9 m# W4 Y- e7 o- e
7、考虑部分接触计算# v; F/ F" v# h
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。; U# H. j6 H! q P" i$ X9 a1 X
* L: y- w8 Z w) G' D
2 O. J7 q) r0 P/ s/ }& F* |0 L# r
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' o R5 Q- @9 u; v' A j( O& E$ X+ V, f; B
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)7 U3 M Z) N1 d' u" t
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
) U/ @1 a9 f9 s( a; e, C
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
, v; E* C3 Q' J. @: I
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): U/ L2 ~0 J% M1 a5 G/ e7 ]3 k. U- u8 y% P
0 \2 @+ ]1 c1 Q6 z. P. y |
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