弹托弹芯结构接触静力学分析

元计算

1、问题描述：
7 E  A" H/ _; Y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。


; v. m' U1 o" _5 b图1  计算模型剖面图   （单位：mm）


图2  计算模型侧视图
2、材料参数：
只有两种材料：铝和钨。
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
1 f. @6 W3 ]2 x, Z金属铝        1.03×107        0.33        2.7        0        0        0
" R+ P  d0 A6 R! V- ^) o/ Z金属钨        3.6×105        0.346        17.6        0        0        0
: Q  J$ i* F& O5 ]4 {) b, c3、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。
# l- g$ e" p- J6 k3 i6 N, @+ {



图3  位移边界条件
3 [5 S$ X9 a& N6 s! J" u
! J" O0 I4 R* k( X
' q4 j( `; g6 ?: M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; Q* {) B" U, q! ~4 `
图4  应力边界条件
4、计算方案
4 z5 C6 g: E- q+ H- X+ E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
3 a8 }' p8 k% m9 f7 y边 界        应力边界1        应力边界2        应力边界3
/ u$ Q: a' h& |# T3 B$ S单 位        N/ mm 2        N/ mm 2        N/ mm 2
方案1        362        800        600
方案2        362        200        362
注：“应力边界1”对应图4中的“蓝色”边界“1”；
; s% j# @( [1 \. X- f“应力边界2”对应图4中的“绿色”边界“2”；
, |1 U7 [1 Y: |( }- p“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
- c* O7 W: `2 Z" _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。
  R# I; v1 ~$ T网格质量良好。
   

图5  三维网格图
% q8 ~+ ~  D- M: L
7 Y0 ?) n7 f1 c8 ?( c
6、计算结果
9 g1 r4 O6 v7 Y4 ?. R2 g$ T位移：
% @2 J  {) C5 t' F0 \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）。


8 P; u# w3 y3 b图6  沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
' e8 j0 {  G$ q! O  E9 }$ E

3 [- F3 z' p" u/ z图7  剖面变形前后对照图
应力
. |" X* V1 M: E1 j3 ]: q' @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）。
" y3 i: f% @7 J4 ~6 v
4 f( ], w7 m2 w图8  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）

7 Z- C  r+ q0 c! ?9 W2 W" n

图9  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）


图10  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
4 ]: T$ n8 d# s$ _1 C; d. S+ a7、考虑部分接触计算
0 j6 f1 d. ~) m& e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。
4 P3 ]1 ?+ g0 `
, t, a% O2 {+ G- ~4 W# L3 r
$ V, X0 H/ R, o; X9 @5 z3 `图11  缝隙分布图
计算位移结果：
* Q2 N" i) H' S6 p/ [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）。



图12 沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
4 \/ }* t. \( L# L5 r计算应力结果：
8 Z+ F7 u, K% y$ R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）。
! c) G8 P$ t8 {! [
: j) R3 w; B' _+ g, _% P1 Y1 C4 e

! p+ r* Q0 p& \& q0 Y图13  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）
  W" d6 V# C* I% f  _

# b3 C1 j2 J+ q. ?: t
图14  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
4 g2 t2 Z9 c2 _4 O2 z7 h

" w( }% m" z8 L+ s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？

; f( V1 [. k, r/ p: M) h- a' U5 A

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。