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。

, M7 D9 O/ O" Y8 I1 I
图1  计算模型剖面图   （单位：mm）
# p% o+ G1 C. u- _& R

. Y. X0 E" a1 J5 @/ `图2  计算模型侧视图
2、材料参数：
' J; ]4 G4 \( a! `" b9 q只有两种材料：铝和钨。
' c% ~& _, g; G3 J! N! J; Y  j- A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
' G+ e# t, Q- X- R  a% t$ q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
, d2 l0 q; K& u$ s* D& w; D0 G3、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。

4 P8 G6 G+ E) z+ T, {$ k  w6 N5 H2 U& e
* ^* M/ v& \/ A+ l# {  o

7 |0 G" J. p# P3 ^6 o: {图3  位移边界条件


0 G' j  ^' [# H% v& l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）。
# L' j5 D" u6 L8 G' j

9 d, I! z* C3 W9 M7 \- w" h3 y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
% C, k! V0 @; w7 K+ v单 位        N/ mm 2        N/ mm 2        N/ mm 2
7 Q" J$ \: R0 V1 i2 S! g! g% c4 B方案1        362        800        600
方案2        362        200        362
' {5 b+ a3 d+ b: m注：“应力边界1”对应图4中的“蓝色”边界“1”；
* F  q4 }/ A( N4 Y$ Q* ?& ?4 ~“应力边界2”对应图4中的“绿色”边界“2”；
7 ?, `; d2 ?" V1 }“应力边界3”对应图4中的“黄色”边界“3”；
- g* W  Z2 T- \  D应力边界以正值“+”为“压应力”，负值“-”为“拉应力”。
5、网格离散
采用四节点四面体单元剖分三维网格。
* W2 W7 G. @) Q: A8 B' V7 U! r剖分结果：节点总数：18,379；
- e1 K5 [3 B8 s9 V; W- D          单元总数：87,318。
网格质量良好。
   
) m4 e4 {, A: ~' w
图5  三维网格图


6、计算结果
位移：
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）。

" u4 M& ]0 c) ~; [/ Q& _
图6  沿轴向变形云纹图  （单位：mm）


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）
) F2 b. K8 L: N& z


2 S  U8 k' o2 H) Y0 d8 @- P图9  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
; J4 d: E, w; {7 a+ X+ x* H
* I8 ]' [1 t4 v' n( M
图10  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
$ S4 e) M1 S8 T% _3 S' n4 _/ T  v7、考虑部分接触计算
7 d4 L) I0 [9 q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。
& m, [8 E9 o3 X9 Z7 V4 _

$ p1 o5 P8 Y; @8 p5 s图11  缝隙分布图
! k- x# H4 W" v0 k: N计算位移结果：
" ?$ D* E6 b/ k5 e" @9 N0 M- ~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）。



# g& [5 O7 i$ n. d: J" @6 d图12 沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
计算应力结果：
; o) p* d- \1 [: [2 ]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 j5 G8 q1 v; S, f: k

图13  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）



3 t6 V% V+ l  H图14  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
4 g  N, J1 r" U/ I

& }: t+ r8 o8 Q& C& P, n图15  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）

冯霜杰

收藏慢慢研究学习！

yuguang2008

图4，应力边界条件怎么没看到？

) G! b- {% y9 m1 @  I8 B

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。