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。
9 g1 ^. w3 J* I) s/ V) {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。


图1  计算模型剖面图   （单位：mm）
9 Q) V6 @; U" {3 q

图2  计算模型侧视图
- J+ n5 Q5 t$ w% L# A9 F+ U2、材料参数：
" I( y5 j  P& R6 n% _2 e* [只有两种材料：铝和钨。
  i* g8 J6 e$ C$ h7 l  P表1  材料参数取值
8 T- E& B. T! [) J1 D6 }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
金属铝        1.03×107        0.33        2.7        0        0        0
8 E* Q. v' \& p6 |, u& `5 s; Y金属钨        3.6×105        0.346        17.6        0        0        0
& L5 ]* @1 k- J3、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。




6 c7 a1 h2 I: t: ?图3  位移边界条件
+ r+ ^  ^: U( h0 f4 O
6 e; q6 t; I+ [- ]* m
* p9 [% X* a, e) E- o# [- ?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）。


0 ?; O! f, @& v) ?图4  应力边界条件
& L8 }# r$ v2 R! H: d4、计算方案
6 G) ]4 P8 h( d  f; x设计了两种计算方案，施加不同的应力边界。
" p5 t5 u' p* A  d! j7 X$ R8 U对照图4（本页）中应力边界条件的施加，两种方案如下表：
7 d8 t) a- \$ z$ x/ O8 l表2  不同计算方案下的应力边界
  Z& Z5 J7 f& V1 q2 A8 c" B边 界        应力边界1        应力边界2        应力边界3
% w; L% A. t0 u/ i, \6 h单 位        N/ mm 2        N/ mm 2        N/ mm 2
方案1        362        800        600
2 P4 g3 ~- w0 [7 J# W1 t; V3 e- c方案2        362        200        362
0 V. d- T) |, ^( h# e& f* N1 x+ }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”；
“应力边界3”对应图4中的“黄色”边界“3”；
; j# g8 ~0 u, J/ _应力边界以正值“+”为“压应力”，负值“-”为“拉应力”。
5、网格离散
1 ^8 U0 O  U& `  a) C: [2 \/ h; R采用四节点四面体单元剖分三维网格。
/ X( u$ g% e1 b% Y0 ~7 w& d剖分结果：节点总数：18,379；
          单元总数：87,318。
+ l1 v$ `! u+ O0 s: t# i/ f- c网格质量良好。
   

图5  三维网格图


6、计算结果
) v7 {. [" _; l* @' L8 U6 ]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）。


) h2 e7 M* F- q4 K9 l- ?' j! v图6  沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
4 g; ]" H" w$ M6 r
  @3 x9 v; N0 t* i/ [- J! X2 |2 O
图7  剖面变形前后对照图
应力
9 }- {# {; \5 j+ v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）。
/ ~/ V. `  Q7 {4 v8 I. F
# v- v" I/ h6 i7 g9 G图8  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）

1 a# P% e4 e2 q, H& h
& `* j  b8 a* M0 B. ^, Y7 Y
图9  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）


$ Z# T9 W/ c) s% }图10  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）
. g& t; e9 K7 R7、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。
3 A4 n/ C) W4 _4 U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。


图11  缝隙分布图
' g7 x6 U1 k% G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）。
' N) s4 }* G" c( C9 s" e! v

# \: b* C" s3 C3 [: l! c. l
  [- b3 J) }/ ?: J+ A# V) [图12 沿轴向变形云纹图  （单位：mm）
计算应力结果：
& b) c9 O. G+ }* h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）。

& f% _! s" k" z

* P, s" g( I1 L, E图13  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）
, M4 }8 J6 R& l/ d" ~9 P2 }# `


图14  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）


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？
$ V4 U" |7 P$ s4 Q/ b1 J! c+ q

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。