冲击载荷下有限元原理及热效应分析

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冲击载荷下,材料的力学性能与静态或准静态时完全不一样,特别是当材料进入塑性阶段后,材料应变与应力的关系受到变形历史效应的影响。本文详细介绍了有限元计算冲击动力学问题中使用的数学、物理理论,再介绍了材料本构的一些基本理论,最后介绍了计算材料温升的基本理论和计算方法。本文基于二维Lagrange有限元计算源代码(EPIC-2D)进行二次开发,根据不同的计算模型,嵌入了不同本构模型,对滑移线模块进行了整理和适当修改,修改了前处理计算模块,修改了输出模块,添加了热传导计算模块。本文模拟了四个不同的试验,分别是泰勒杆撞击试验、平头弹贯穿金属靶板试验、卵形弹正侵彻铝靶试验和卵形弹侵彻混凝土靶板试验。根据模拟结果与试验结果的比较,修改计算模型,使模拟结果更接近试验结果。从模拟过程中得出,影响模拟结果的主要因素:1、材料本构关系的选择;2、网格划分;3、单元状态的判定条件等。分别对四个不同模拟进行了热分析。从分析中得出:1、同一模型中,随着初始速度增加,材料温升也随之增加;2、材料温度分布与应力、应变分布一样;3、数值模拟中,只能有效计算单元失效前的温度,所以单元状态的判定条件对计算材料温度有很大影响;4、单元在某个时刻的温度与单元当前的压力和体积有关,通常情况下,被压缩时体积变小,密度增加,压力增大,温度升高,反之亦然。本文从数值模拟和理论上分析了在冲击载荷下,数值仿真中,热扩散对温度分布的影响。经过模拟结果对比和理论分析,分析出热扩散对温度是否有影响,与时间长短和网格大小有关。通常在侵彻、贯穿模拟中,由于时间太短,热扩散的距离是远小于网格大小的,所以认为热扩散对温度分布是没有影响的。
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