﻿ 壳单元和实体单元模拟爆炸荷载作用钢板动力响应的差异性比较
 舰船科学技术  2017, Vol. 39 Issue (3): 18-22 PDF

1. 西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010;
2. 中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621000;
3. 火箭军驻中国工程物理研究院 型号办事处，四川 绵阳 621900

Comparision of differentiation with the steel plates' dynamic response subjected to blast loads using shell element and solid element modeling methods
ZHU Jun-jie1, LU Yong-gang2, FENG Xing-kui3, TAO Jun-lin1
1. School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;
2. Institute of Structural Mechanics,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China;
3. The Office of Rocket Force, China Academy of Eugineering Physicies, Mianyang 621900, China
Abstract: Take the steel plates of warship cabins as research objects, numerical simulation study on the response of the quadrangular steel plates subjected to blast loads is presented by dynamic analysis finite element procedure Ls-dyan3d, using modeling methods of shell element and solid element respectively. Comparing pressure distribution cloud picture and each point of midcourt line miximum displacement curve graph, it can be found that transformation trend of steel plates is similar for different thickness while each point of midcourt line miximum displacement is discriminating. However results from two methods are alike for equal thickness. Meanwhile, it can improve calculative effciency. How to choose which kind of element types correctly to analysis is an important link. Through the preliminary contrast study of calculative results of shell element and solid element, it can provide reference for choosing element type in warship cabins numerical simulation.
Key words: marine steel plate     blast loads     numerical simulation     shell element
0 引　言

1 Shell163 单元介绍

Shell163 是一个具有 4 节点单元，有弯曲和膜特征，可施加平面和法向载荷。单元在每个节点上有 12 个自由度，分别为在节点xyz 方向的平动、加速度、速度和绕xyz 轴的转动。Shell163 单元一共有 12 种算法，这里选第 10 种算法，对于翘曲情况可以得到正确结果。和实体单元一样，积分点的个数直接影响着 CPU 的时间。典型地，对于弹性材料沿厚度方向需要 2 个积分点，而对于塑性材料则需要 3 个或更多的积分点[7]

 图 1 Shell163 显示薄壳单元 Fig. 1 Shell163 display thin shell element
2 数值计算模型 2.1 算法选取

2.2 材料本构与状态方程

 $p = A(1 - \frac{\omega }{{{R_1}V}}){e^{ - {R_1}V}} + B(1 - \frac{\omega }{{{R_2}V}}){e^{ - {R_2}V}} + \frac{{\omega E}}{V}\text{，}$ (1)

 $p = {C_0} + {C_1}\mu + {C_2}{\mu ^2} + {C_3}{\mu ^3} + ({C_4} + {C_5}\mu + {C_6}{\mu ^2})e\text{。}$ (2)

2.3 有限元模型

1） 空气网格的验证

 图 2 网格验证模型 Fig. 2 Grid authentication model

 图 3 距离 6 cm 处的超压 Fig. 3 The overpressure of 6 cm distance

 图 4 距离 8 cm 处的超压 Fig. 4 The overpressure of 8 cm distance

 图 5 距离 6 cm 处的超压 Fig. 5 The overpressure of 6 cm distance

 图 6 距离 8 cm 处的超压 Fig. 6 The overpressure of 8 cm distance

2） 炸药网格的验证

 图 7 方板尺寸示意图（单位：mm） Fig. 7 The size map of square slab（unit: mm）

3） 2 种单元计算模型

 图 8 实体单元有限元模型 Fig. 8 The finite element model by entity element

 图 9 壳单元有限元模型 Fig. 9 The finite element model by shell element

 图 10 t = 0.15 ms，方形钢板中的 Von Mises 应力云图 Fig. 10 t = 0.15 ms, Von-Mises stress contours of square slab

 图 11 模型变形及试件变形图 Fig. 11 Model deformation and specimen deformation figure
2.4 失效准则

3 壳单元与实体单元模拟结果比较 3.1 方形钢板的动态响应

1）t = 0.15 ms 时刻，方形钢板 Von Mises 应力云图对比。

 图 12 中线上各点最大位移曲线图 Fig. 12 The maximal displacement curve of each point on the midline

 图 13 计算时间 Fig. 13 The calculation time

2）钢板中线上各点处最大位移值对比

3.2 两种方法计算时间对比

2 种模型的炸药和空气域单元数目相同，而使用壳单元建模使得钢板单元数目减少 50%。由图 13 可以看出使用壳单元建模计算时间降低约 50%，显著提高计算效率。尤其对于单元数目比较多的模型，壳单元的优势更为突出。

4 结　语

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