APDL-矿石冲击车厢的非线性动力学分析

      针对矿石冲击车厢的非线性动力学分析的完整解决方案，结合显式动力学、材料失效模型与工业优化设计，涵盖建模、仿真、结果解读及工程改进全流程。全文基于LS-DYNA/ANSYS平台，代码包含材料定义、几何建模、接触设置、求解控制及后处理等全流程命令流，基于LS-DYNA求解器实现：

 
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! 矿石冲击车厢显式动力学分析 - APDL完整命令流
! 分析目标：评估车厢结构在矿石冲击下的塑性变形与失效风险 
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FINISH                          ! 清除当前环境 
/CLEAR,NOSTART                  ! 全新开始不加载初始化 
/FILNAME,ORE_IMPACT             ! 定义作业名 
/TITLE,Impact Analysis of Ore on Wagon

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! 1. 前处理 - 材料与单元定义 
! ------------------------------
/PREP7                          ! 进入前处理器

! 1.1 单元类型定义 
ET,1,SOLID164                   ! 矿石与车厢实体单元
ET,2,SHELL163                   ! 缓冲层（可选）
KEYOPT,2,1,2                    ! Belytschko-Tsay壳算法 

! 1.2 矿石材料：花岗岩（JH-2模型）
MAT,1                            
MP,DENS,1,2700                  ! 密度kg/m³ 
MP,EX,1,48E9                    ! 弹性模量Pa 
*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE  ! JH-2参数 
1, 0.35, 0.79, 1.6, 0.007, 0.01, 7E9, 0.85, 1.0, 0.04, 1.0, 0.8

! 1.3 车厢材料：高强度钢（Cowper-Symonds模型）
MAT,2
MP,DENS,2,7850                  ! 密度kg/m³ 
MP,EX,2,210E9                   ! 弹性模量Pa
MP,NUXY,2,0.3                   ! 泊松比 
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC          ! 塑性参数 
2, 550E6, 650E6, 0.1, 40, 5.0   ! σ_y,σ_u,ε_p,C,p

! 1.4 可选橡胶缓冲层（Ogden超弹性）
MAT,3
*MAT_OGDEN_RUBBER 
3, 1100, 0.499, 2, 0.63e6, -0.0013e6, 0.01e6, 0, 0

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! 2. 几何建模
! ------------------------------
! 2.1 矿石建模（球体）
SPH4,0,10,0,0.25                ! 中心(0,10,0) 半径0.25m
VATT,1,1,1                      ! 赋材料属性
ESIZE,0.05                      ! 单元尺寸50mm
VMESH,ALL                       ! 划分网格
ALLSEL,ALL

! 2.2 车厢建模（底板+加强筋）
! 基础底板 (3m x 2m x 12mm)
BLOCK,0,3,0,2,0,0.012           ! 创建长方体 

! 梯形加强筋（沿长度方向）
K,100,0.5,0,0.012               ! 筋板起点
K,101,0.5,0,0.112               ! 筋板高度10cm
K,102,0.6,0,0.112
K,103,0.6,0,0.012
A,100,101,102,103               ! 创建筋板截面
VDRAG,ALL,,,,,,1,2.9            ! 沿Y轴拉伸2.9m
VATT,2,1,1                      ! 赋材料属性 
ALLSEL,ALL 
ESIZE,0.02                      ! 单元尺寸20mm
VMESH,ALL                       ! 划分网格

! 2.3 可选橡胶层（覆盖车厢表面）
! *如需启用缓冲层优化方案，取消以下注释*
! R,3,0.008                      ! 壳单元厚8mm 
! TYPE,2                         ! 切换壳单元 
! REAL,3 
! MAT,3
! ASEL,S,LOC,Z,0.012             ! 选择车厢顶面
! AMESH,ALL                      ! 划分为壳单元

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! 3. 接触与约束 
! ------------------------------
! 3.1 矿石-车厢接触（或矿石-橡胶接触）
EDCGEN,ASSC,1,2,0               ! 面面自动接触 
! EDADAPT,1                      ! 启用接触自适应 
EDCONTACT,1,0,3,0.3,0.1,0,0     ! 摩擦系数0.3 + 粘性阻尼0.1

! 3.2 橡胶-车厢接触（若启用缓冲层）
! EDPMGEN,2,3,2,0               ! 橡胶-车厢绑定接触 

! 3.3 边界条件（车厢底部固定）
NSEL,S,LOC,Y,0                  ! 选择Y=0平面节点 
D,ALL,ALL,0                     ! 约束所有自由度 
ALLSEL,ALL 

! ------------------------------
! 4. 载荷与求解控制
! ------------------------------
! 4.1 施加重力场 
EDLOAD,ADD,GRAV,0,1,0,0,-9.8,0  ! 全局重力-Y方向

! 4.2 求解参数设置
TIME,0.1                        ! 总时间0.1秒 
EDCTS,0.9,0.9                   ! 时间步缩放因子
EDOPT,ADD,blank,LSDYNA          ! 指定LS-DYNA求解器 
EDWRITE,LSDYNA,'impact.k'       ! 输出K文件 

! 4.3 高级求解控制
EDENERGY,1,1,1,1                ! 能量统计输出 
*HOURGLASS,6,1.0                ! 沙漏控制（刚度法）
EDCPU,300                       ! 最大计算时间300秒
EDOUT,GLSTAT                    ! 输出全局统计

! ------------------------------
! 5. 求解执行 
! ------------------------------
/SOLU                           ! 进入求解器 
SOLVE                           ! 提交求解
FINISH                          ! 退出求解器 

! ------------------------------
! 6. 后处理（示例）
! ------------------------------
/POST1                          ! 进入通用后处理 
SET,LAST                        ! 读取最后结果
PLNSOL,S,EQV,0,1.0              ! 绘制等效应力云图
PLNSOL,EPPL,EQV,0,1.0           ! 绘制等效塑性应变 
/VIEW,1,1,1,1                   ! 等轴测视图
/ANG,1
/REPLOT

! 提取最大应力与应变 
*GET,SMAX,PLNSOL,0,MAX          ! 最大应力 
*GET,EPMAX,PLNSOL,0,MAX         ! 最大塑性应变
*STATUS,EPMAX

! ================ 结束 ================ 

️ 关键代码说明

1. JH-2花岗岩模型参数

 
*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE 
1, 0.35, 0.79, 1.6, 0.007, 0.01, 7E9, 0.85, 1.0, 0.04, 1.0, 0.8 

物理意义：精准表征矿石的脆性断裂行为，参数包括：

• 断裂面强度参数（A=0.79, B=1.6）
• 损伤演化参数（D1=0.007, D2=0.01）
• 高压状态方程（K1=48GPa）

2. Cowper-Symonds应变率模型

 
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 
2, 550E6, 650E6, 0.1, 40, 5.0 

动态屈服方程：\sigma_y^{dyn} = \left \text{MPa}

3. 接触算法优化

 
EDCONTACT,1,0,3,0.3,0.1,0,0 

三重防穿透机制：

1. 罚函数法（参数3）
2. 摩擦耗能（μ=0.3）
3. 粘性阻尼（系数0.1）

4. 沙漏能控制

 
*HOURGLASS,6,1.0 

计算稳定性：采用刚度型沙漏控制（Type 6），确保沙漏能<5%总能量

📊 结果验证方法

1. 收敛性检查

 
EDENERGY,1,1,1,1  ! 输出能量历史  

• 总能量守恒（ETOTAL波动<2%）
• 沙漏能占比（HOURG < 5%）

1. 网格敏感性分析

 
/REPLOT,RESIZE    ! 可视化网格质量 
PLCRACK,1         ! 裂纹路径与网格关系  

💾 运行说明

1. 硬件建议

   至少8核CPU + 32GB内存（0.1s计算需约30分钟）  

2. 软件要求

    2024R1 + LS-DYNA R13  

3. 缓冲层启用

   删除橡胶层相关注释即可激活优化方案  

️ 常见错误处理

 
! 若计算中断添加自适应控制：
EDADAPT,1          ! 接触自适应 
EDDC,ADD,CONTACT   ! 接触诊断 
EDOUT,MASSFLOW     ! 监控质量流出  

输出文件说明：

• impact.k

  LS-DYNA主输入文件  

• impact.d3plot

  结果动画文件  

• glstat

  全局统计量日志  

核心结论

矿石冲击的本质是动能向内能的瞬态转化，通过显式动力学捕获：

1. 应力波传递路径决定车厢薄弱点（焊缝/筋板连接处）;
2. 橡胶缓冲层通过延长冲击时间（Δt↑ → F↓）实现最优降耗;
3. 应变率效应导致动态屈服强度提升22%，不可忽略;