基于LS-DYNA的圆钢管落锤冲击响应分析

王强（中铁建设集团有限公司 北京 100040）

王丽平（西南科技大学土木工程与建筑学院 四川 绵阳 621000）

0 引言

在土木工程领域的相关研究中，由于钢材具有高强度、自重较轻和稳定性好等特点，常用于大跨度建筑（构筑）结构中，其中钢管构件由于截面中心对称，截面特性各向同性，材料均匀分布在周边以及截面抗弯刚度大等优点，作为桁架或塔架结构体系构件在桥梁、输电塔、海洋平台等结构中成为常用的结构钢型材。这些结构往往处于边坡下方，常会面临落石等一些冲击影响，对结构造成一定的损伤，甚至发生倒塌，造成相应的经济损失。因此，对于圆钢管构件在落锤冲击作用下的动力响应进行分析，确定不同冲击能量下圆钢管的变形情况，为钢结构设计提供相应的依据。

1 建立模型

LS-DYNA是常用的显式非线性有限元分析软件，主要包括几何非线性、材料非线性以及接触非线性，能求解各种非线性结构的碰撞冲击问题。采用LS-DYNA的接触分析，建立圆钢管及落锤的有限元模型，其中钢管建模采用solid164实体单元，同时采用双线性等向强化模型来模拟圆钢管材料，应力—应变曲线如图1所示，为保证材料的受力均匀，避免在截面变化较大处划分过细产生应力集中，网格划分尺寸采用3mm×6mm。落锤采用solid164实体单元，并通过smartsize进行网格划分，最终网格模型如图2所示。

图1 应力-应变曲线

图2 钢管及落锤有限元模型

2 模拟分析

2.1 确定工况

进行数值模拟时，通过改变落锤的冲击速度而改变冲击能量来确定扥洗工况，其工况如表1所示。

2.2 模拟分析

本文分析冲击荷载作用下的以上各个模型分别在T=0.005s、T=0.01s以及T=0.04s时的变形以及应力分布情况。

表1 试验工况

2.2.1 v=4.01m/s

落锤冲击速度为4.01m/s时的变形及应力云图如图3所示。

图3 变形及应力分布云图

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

2.2.2 落锤冲击速度为v=5.09m/s

落锤冲击速度为5.09m/s时的变形及应力云如图4所示。

图4 变形及应力分布云图

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

2.2.3 落锤冲击速度为v=6.00m/s

落锤冲击速度为6.00m/s时的变形及应力云图如图5所示。

图5 变形及应力分布云图

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

3.2.4 落锤冲击速度为v=7.43m/s

落锤冲击速度为7.43m/s时的变形及应力云图如图6所示。

T=0.005s T=0.01s T=0.04s

图3~6分别表示不同冲击速度下圆钢管的变形分布云图及应力分布云图。从表中变形分布云图可以看出，在落锤冲击时落锤与圆钢管接触点处率先发生一定变形，随后，变形向四周扩散，钢管逐渐发生变形。从表中应力分布云图可以看出，圆钢管在冲击荷载下接触点处以及两端产生的应力较大，随着时间的进行，两端应力逐渐消失，仅接触点处产生应力。由此可以得出，圆钢管在与落锤接触时，迅速产生变形，而随着时间的增大，落锤与圆钢管分离，钢管发生弹性恢复，使钢管最终变形减小。

图6 变形及应力分布云图

3.2.5 时程曲线对比分析

落锤在4个不同的冲击速度下接触点处的位移时程曲线如图7所示。

图7 位移-时间曲线

从图7中可以看出，圆钢管接触点处与落锤接触时迅速产生较大的变形，然后随着时间的进行，圆钢管变形逐渐恢复直至保持最终的变形情况。

4 结语

通过有限元软件对落锤荷载作用下圆钢管的冲击动力响应进行分析，可以得出：圆钢管在冲击荷载作用下会产生相应的变形，且变形由钢管与落锤的接触点处开始向四周扩散；同时圆钢管材料具有相应的弹性恢复能力，冲击荷载越大，恢复的变形越小，钢管最终产生的变形越大。