弹性小球自由跌落反弹分析

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        碰撞是工程中比较常见的典型问题,一般的碰撞呈现出高度非线性动力学问题,例如高速碰撞、爆炸、金属成型,针对此类问题,一般采用ANSYS的显式动力学模块求解,也即ANSYS/LS-DYNA。而对于简单的碰撞问题,例如不可侵入、不可破裂、无波动等,其实也可以用经典ANSYS的隐式动力分析解决。本次以某弹性小球为例,简要阐述该过程。

        问题如下:

        某弹性小球,半径为10cm,材料弹性模量7.8MPa,泊松比0.47,密度930kg/m^3,小球中心距离地面的高度为2m,现假定其从该高度处自由下落,与刚性地面碰撞后反弹,试采用ANSYS模拟其过程,观察其运动规律。

        该问题需要注意的地方如下:

        一、由于碰撞反应总是在极短的时间内完成,因此在碰撞时刻前后应取足够小的时间步,也即是在碰撞前后应分为不同的荷载步,碰撞时候的荷载步应划分够细的荷载子步。否则会导致不连续的反应,有时甚至导致未发生碰撞(未检测到接触)。具体时间步长可根据经验确定,但更多时候是经过不断试算来确定的。

        二、跌落分析一般还需要考虑跌落姿态、空气阻尼、大变形等问题。不考虑流场时,物体在跌落过程中的姿态保持不变,除非有某种初始扰动。空气阻尼不会改变跌落姿态,但会影响碰撞时候的速度,也即是需要调整时间步。 本次考虑空气阻尼对小球的影响,可以预见小球的反弹高度会越来越低,最终趋于停止。

        三、接触单元设置。考虑到弹性变形,接触刚度系数这里设置为0.1。同时还需注意设置Pinball区域的大小为高度值。

命令流如下:

 

finish

/clear

/config,nres,20000

/prep7

h=2.0

r=0.10  !外径

et,1,solid186

et,2,conta174

et,3,targe170

 

mp,ex,1,7.8e6

mp,prxy,1,0.47

mp,dens,1,930

r,1

r,2,,,0.1,0.1

rmodif,2,6,-h

 

sph4,,0,r

vsbw,all

wprota,,,90

vsbw,all

wprota,,90

vsbw,all

vgen,,all,,,,,h,,,1

wpcsys,-1

esize,r/3

vatt,1,1,1

vmesh,all

nsla,s,1

type,2

real,2

esurf

type,3

tshap,qua8

allsel,all

*get,n1,node,,num,max

a=5*r

n,n1+1,-a,a

n,n1+2,a,a

n,n1+3,a,-a

n,n1+4,-a,-a

e,n1+4,n1+3,n1+2,n1+1

n2=node(0,0,h)

 

/solu

antype,trans

alphad,1.5

betad,0.0001

!nlgeom,on

cnvtol,f,1,0.01

outres,all,all

timint,on

nropt,full

nsubst,2

acel,,,9.8

time,1e-8

solve

time,0.70

deltim,0.01,,0.05

solve

time,0.79

deltim,0.0001,,0.0005

solve

time,1.70

deltim,0.01,,0.05

solve

time,1.82

deltim,0.0001,,0.0005

solve

time,3.21

deltim,0.01,,0.05

solve

 

/post1

/view,1,1

/ang,1,-90,zs,1

/dscale,,1

plnsol,u,sum

antime,60,0.2,,1,2,0,1.8

 

/post26

nsol,2,n2,u,z

plvar,2

 

不同时刻的位移云图如如下:

t=0s

弹性小球自由跌落反弹分析

t=0.70s

弹性小球自由跌落反弹分析

t=0.74s

弹性小球自由跌落反弹分析

t=0.77s

弹性小球自由跌落反弹分析

整个过程的动画如下所示:

弹性小球自由跌落反弹分析

 

 

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