Ansys/Ls-Dyna进行冲击器活塞撞击钻头的动力分析                             

                                   何孝森

 

    潜孔冲击器工作原理:活塞上下运动，下行时冲击钻头尾部，钻头头部合金齿与岩石接触，传递压力至岩石，岩石被挤压产生裂纹，钻头在钻机带动下旋转，旋转中有裂纹的岩石被切削下来。工作中活塞工作频率很高，常出现早期断裂，设计潜孔冲击器时，大家对活塞的设计和制造倍加关注，进行冲击器的活塞与钻头动力分析非常必要。

    然而、活塞、钻头和岩石之间是冲击波，冲击应力计算很复杂，精确度不高，Ls-Dyna的出现给冲击器的活塞与钻头动力分析带来了方便，通过分析对活塞的设计和制造提供了理论依椐。

Ls-Dyna是功能齐全的几何非线性、材料非线性以及摩擦和接触分离等界面状态的非线性程序，凡是涉及接触碰撞、爆炸、穿甲、应力波传播和金属加工等问题都可以求解， Ansys中综合了Ls-Dyna。 Ansys/Ls-Dyna计算更为方便和精确。

进行活塞与钻头动力分析简述如下:要有:活塞尺寸;钻头尺寸;岩石块尺寸，活塞速度。

    计算时使用APDL程序文件，该文件操作者自己编制。关键是编制APDL程序文件，完成编制则完成大部分工作量，其他工作由Ansys/Ls-Dyna软件完成。

整体计算过程:

一.APDL文件:编制情况简述:

有限元计算要有数学、力学、有限元理论、工程科学、软件操作和工程经验，必须对整个计算过程细节进行详细考察，对软件的适用范围、计算精度、有限元模型的网络划分精度、材料参数、边界条件及初始条件搞准、否则可能出错，滥用是危险的做法，会得出错误的结果。

步骤如下:

1.定义工程名称属性和采用国际单位制。

2.定义单元类型、材料与实常数:

(1).活塞、钻头、岩石的单元类型都为SOLID164 .

(2).输入活塞、钻头、岩石的材料参数:弹性模数、密度、泊松比。

3.建立实体模型，将实体模型剖成为1/4计算。

下面是有关图片:

    4.划分网络:应用LMESH.AMSEH.VMESH等命令进行，得到单元(EIement)与节点(Node)信息。

下面是有关图片:

    5.定义初始条件与边界条件:.

活塞V=2(米/秒)，

活塞、钻头单元为激活状态.

边界条件:活塞在缸内运动、钻头直线移动、岩石不动。

6.定义接触

接触类型:点-面接触

静摩擦糸数FS=0.动摩擦糸数FD=0.指数哀减系数DC=0.临界粘性阻尼系数VDC=0.

接触时间0-100000s范围内

接触刚度=0.1.刚性盾罚因子=0，接触面初始穿透检查

接触不考虑单元厚度，接触刚度选择

不考虑接触过程壳厚改变，接触表面节点号自动定位

接触面穿透深度增量=4，不穿透检查

7.定义求解参数

终止时间、.RST文件的输出时间间隔、.HIS文件的输出时间间隔、输出节点接触力、

输出合成界面接触力、输出材料能量计算结果、保存数据库文件等.

8.进入求解器，输出K文件.

例如:本段APDL文件

/SOLU                             !进入求解器

EDWRITE,LSDYNA,'hzI','K',''       !输出关键字K文件"hzI-a" 

FINISH  

/EXIT,NOSAV 

二. 进入Ansys Product Lauhcher 点Run入计算界面，输入APDL文件，输出'hzI','K'，等等文件。

下面是有关图片:

设置后点Run

在上图输入APDL文件进行计算
输出的'hzI','K'关健字文件:

*KEYWORD

*TITLE

                                                                                

$

*DATABASE_FORMAT

         0

$

$

$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

$                               NODE DEFINITIONS                               $

$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

$

*NODE

       1 2.763858238E-01 0.000000000E+00-2.015522373E-02       0       0

                          此处大量文件，现省略，仅留头、尾。

--------------------------------------------------------------------------------------------------

  2489      2490      2491      2492      2493      2494      2495      2496

      2497      2498      2499      2500      2501      2502      2503      2504

      2505      2506      2507      2508

*INITIAL_VELOCITY_GENERATION

         6         3  0.00      2.00      0.00      0.00    

  0.00      0.00      0.00      1.00      1.00      1.00             0

*END

关健字文件可进一步补充和修改。有了关健字文件，给今后重新计算类似程序提供了方便，可直接修改，进入Ls-Dyna solvor工作，节省了时间和提高工作效率。

三. 进入Ls-Dyna solvor输入关健字文件'hzI','K'，输出d3plot等等文件等。

 

四.后置处理:将d3plot输入LS-PREPOST软件得出结果，输出应力云图，节点速度，接触力-时间曲线，位移-     时间曲线等等。

LS-PREPOST软件

正如前述，错误的APDL文件，滥用是危险的做法。下面是边界条件出错的动态图。

 

 

有些错误的APDL文件，还会导致不能计算，有的可计算，但结果与实际情况不符。

    五.通过多次计算，得出结论:

    1.活塞速度越大、冲击应力加大。

    2.冲击应力最大位置集中在活塞与钻头接触面几十毫米的活塞端。

    3.活塞台阶越多，台阶尺寸相差大，应力加大。

    4.有园角过渡的活塞，应力小一些。

    5.在应力最大处附近的内外直径表面一定要光滑。

                                                                                写於2005.5.20 长沙