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。

, q/ I; w( e+ K* ^' Y
图1  计算模型剖面图   （单位：mm）

$ L5 y- l" t# M& f
+ S$ }& _6 o! o图2  计算模型侧视图
& W& z4 U9 H8 ?9 ?* b2、材料参数：
只有两种材料：铝和钨。
/ C) V7 c+ L! H2 w  p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
+ f$ v) I6 a) L4 u* |+ Q: ~1 }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
; @- L. L9 B; z" A, U3、边界条件：
8 m) O/ C) ?. l: z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。
9 x$ o$ B* Q' I1 {% w


4 `( a' x' J7 q  ~) S# w! b
" h; t' l3 _3 j8 T5 v( {5 O' A图3  位移边界条件


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）。
/ i. N# _% k8 I) R; t
; Z) X3 h" _# ?1 i* w" P3 p  [
5 M8 G- z6 E6 B/ \图4  应力边界条件
0 y, Q, K* R3 N2 _8 }1 L0 K2 N4、计算方案
; b1 o$ X4 p. w2 O- a8 }! A设计了两种计算方案，施加不同的应力边界。
' e% o% t2 r. ]2 C2 [1 O% [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
: w8 C: \% V$ G# x单 位        N/ mm 2        N/ mm 2        N/ mm 2
, B  |6 ~0 v5 s& ]( U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”；
“应力边界2”对应图4中的“绿色”边界“2”；
6 k* v5 }  E* l( z, w" h3 @/ D& U“应力边界3”对应图4中的“黄色”边界“3”；
2 |9 |+ h& S) }1 ~0 L应力边界以正值“+”为“压应力”，负值“-”为“拉应力”。
6 v! C" ?3 r3 M5、网格离散
采用四节点四面体单元剖分三维网格。
5 x; ?- e* Y% W  ~% w& }  b! K3 h剖分结果：节点总数：18,379；
          单元总数：87,318。
# X2 i, g# a4 X* m: O7 Z8 J网格质量良好。
   
) ]3 o7 U+ X7 ]( }& c4 ^5 R
% q. X' q8 D( M' i9 b) d. l图5  三维网格图
% r7 E0 ~# t2 L7 d
& L7 ]$ ]7 `! w1 b) ~$ i' M3 {. s
6、计算结果
位移：
* N  n. d+ j* o: d* Z- x( {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）。


图6  沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
+ C2 s$ i3 Y' t" `9 `7 t

! c  j( k/ k' W. _) R& Z图7  剖面变形前后对照图
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）。

图8  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）


1 b1 r( F. A2 Q% _- _
& R5 g- m& ?- I图9  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）

5 t) O4 z* m8 d9 I
图10  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
2 T: B0 D9 k# h( m7、考虑部分接触计算
. w/ _& J$ t* D2 ^/ G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。
4 K. Q; ]( G1 H9 C( A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。

& P# W3 N/ V- S) ~' D
& p& q; Q9 l2 \! i* c图11  缝隙分布图
# P  \0 o1 f4 {2 Q( Y4 I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）。
0 ?  i; }9 n6 T. }
& u, ^5 J4 T4 N* Y* x: z0 o  {# B

8 r: K: p8 O2 K5 u7 E* Q图12 沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
计算应力结果：
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）。

3 Z( n- v; c# S$ e# S( V  d* u
. W5 m4 U1 t( |
图13  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）

; ]2 U* ~$ j2 x

  i  G1 U( j, }0 _6 K& ]0 M) E/ R图14  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
2 `6 J* \" |1 y) A6 {( @
) r3 S' m% y% q7 S, v5 v7 F$ l" K
5 _) S( L3 W; M# w4 h8 `图15  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
3 y. Z- v$ o' A+ P; g  T

冯霜杰

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yuguang2008

图4，应力边界条件怎么没看到？

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。