弹托弹芯结构接触静力学分析

元计算

1、问题描述：
" C# C. i' o3 ^) T7 k; t1 N" H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。
2 O% P/ J/ y+ \* p8 F e, a) e

图1 计算模型剖面图 （单位：mm）
( Q- y, p( B; ?

4 V) |$ k' {0 \) B5 a: x4 _$ a1 g图2 计算模型侧视图
2、材料参数：
T! v5 n- E" @# S* J/ r g$ n P只有两种材料：铝和钨。
表1 材料参数取值
' }* k g* _! L, O6 w, F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
0 o" Z" u# R; m单 位 N/mm2 g/cm3 mm/s2 mm/s2 mm/s2
6 c6 {/ Z: A0 e3 }+ y: J. z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
0 G3 d9 w& F3 v' f+ J9 N3、边界条件：
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。
) j6 i4 b# ?4 f- Q, f8 w
) \' ?& S3 s @
0 J* x7 V9 A: K% L+ L/ F' f( \
# b. \. P* c. c& Y& Y
% q2 i7 R7 Z$ h0 T9 p! Y' @3 d, O图3 位移边界条件

4 _. [/ n) j. H7 \' `
8 A+ R0 ^% S9 P# y$ p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）。
) x# ?: K/ A) q% r9 {' {& H4 b2 R
4 U- |6 g Z2 ` p8 ` d* }
图4 应力边界条件
4、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
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
, r7 @: C; p) @6 ]方案1 362 800 600
方案2 362 200 362
. o/ x% s! `6 F$ n/ ?- Y注：“应力边界1”对应图4中的“蓝色”边界“1”；
* R# x* P4 ]+ G" N: k" \“应力边界2”对应图4中的“绿色”边界“2”；
“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
. ^ U# ]! q5 E P: r) x/ ?1 y采用四节点四面体单元剖分三维网格。
# b1 t2 m: N# W* I) U o9 |! ?剖分结果：节点总数：18,379；
单元总数：87,318。
网格质量良好。
" g- C( U" w( t4 B) c; I
% n( ~) P9 S G0 c- K6 P+ |
% U$ V2 [! d v5 g' ]图5 三维网格图

) |- I0 U/ O0 B9 B
/ [/ P+ [8 m3 B5 D; Y( R6、计算结果
位移：
, y9 S, J5 N1 A& V' H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）。
H! J! K) \$ J7 P" [9 B) q+ Q6 J. @6 [

& {8 L% a4 t6 W图6 沿轴向变形云纹图 （单位：mm）


5 S/ J5 D* p5 \ l& g; E/ `* J图7 剖面变形前后对照图
应力
. r& O8 h" ^) \( t0 }1 |/ }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）。

( {0 c" t2 F, j( }图8 第一主应力云纹图 （单位：N/mm2）

9 N% U ~, ]( N

5 n0 X3 F- g0 z. o" m/ o2 y图9 第三主应力云纹图 （单位：N/mm2）
* u5 f8 O% M/ A1 \$ P
* H3 U8 e6 P3 m$ m$ r
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。


$ X$ `- Z* L8 A7 q9 `$ |图11 缝隙分布图
计算位移结果：
' b, T1 Y4 ~( q5 D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）。
8 }9 V: J# T$ |- ]" q
F5 b' t8 ~! w/ {
& T; E/ c0 }% q& I; b% t+ V0 U
图12 沿轴向变形云纹图 （单位：mm）
计算应力结果：
) v ~. p) F1 w" L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）。

1 }% |* ~) i6 R$ X. k& V @

z$ L; c" c, W+ o$ q6 h图13 第一主应力云纹图 （单位：N/mm2）

+ t8 H2 P" [; l

图14 第三主应力云纹图 （单位：N/mm2）

/ f0 @" C% i- f r3 W+ t, v
3 ]* g G0 y8 ^3 Q9 T图15 剖面第三主应力云纹图 （单位：N/mm2）

冯霜杰

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yuguang2008

图4，应力边界条件怎么没看到？
8 A* a" o1 Z: n* T. D4 O' E2 m# [

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。