Расчет взаимодействия нестационарных упругой волны со сферической оболочкой средствами. Учет внешней статической нагрузки - гидравлического давления. Верификация результатов на основе выкладок Э.И. Григолюк, А.Г. Горшков – “Нестационарная гидроупругость оболочек”, Издательство «Судостоение», Ленинград, 1974 год.

1. КАДФЕМ
Моделирование взаимодействия нестационарных упругой волны
со сферической оболочкой средствами Workbench LS-DYNA ACT
Беляев Я. В.,
ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Новожилов Ю.В.,
ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

2. Цель работы
2© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
• Изучение возможности решения задач о взаимодействии
оболочечных тел с ударными волнами
• Рассмотреть возможности учета статических нагрузок
• Выбор инструмента численного моделирования
• Верификация результатов на основе публикаций в литературе

3. • Замкнутая полая стальная сферическая оболочка
• R = 1 м
• h = 7.5 мм
• Домен с жидкостью
• a = 9 м
• b = 4 м
• Условия нагружения
• P = 1 КПа – амплитуда волны
• P0 = 1 000 КПа – давление в среде
• Учет симметрии геометрии и
нагрузок позволяет
рассматривать ¼ модели
Постановка задачи
3© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
R
P
h
a
b P0

4. Свойства материалов
4© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
• Сферическая оболочка
• «Structural Steel»
• Лагранжева формулировка МКЭ
• Домен с жидкостью
• «WATER2»
• Уравнение состояние на основе
ударной адиабаты
• Лагранжева формулировка МКЭ
Физическая величина Значение
Плотность, кг/м3 7850
Модуль Юнга, ГПа 200
Коэффициент Пуассона 0,3
Физическая величина Значение
Плотность, кг/м3 1000
Коэффициент Грюнайзена 0,28
Параметр C1, м/с 1483
Параметр S1 1.75
Квадратичный параметр
S2, с/м
0

5. Выбор инструмента численного моделирования
5© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
• ANSYS Explicit (STR)
• Прост в освоении
• Способен решить динамическую задачу
• Использует ANSYS Mechanical для учета статических нагрузок
• Нельзя получить преднапряженное состояние для материала с уравнением
состояние на основе ударной адиабаты
• ANSYS AUTODYN
• Сложен в освоении
• Способен решить динамическую задачу
• Использует ANSYS Mechanical для учета статических нагрузок
• Нельзя получить преднапряженное состояние для материала с уравнением
состояние на основе ударной адиабаты
• ANSYS LS-DYNA
• Сложна в освоении
• Отсутствие современного пре/постропроцессора
• Может решить любую из выбранных постановок

6. Workbench LS-DYNA ACT
6© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014

7. Граничные условия, нагрузки, контактные взаимодействия
7© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
Условия
симметрии
Неотражающие
граничные условия
Падение
нестационарной
волны

8. Workbench LS-DYNA ACT: стандартные возможности
8© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
• «WATER2» из Engineering data
• Необходимо отключить свойство «Share stress»
• Получаем *MAT_NULL и *EOS_GRUNEISEN
• Неотражающие граничные условия
• *BOUNDARY_NON_REFLECTING
• Давление
• *LOAD_SEGMENT_SET
• Граничные условия симметрии и стенок
• *BOUNDARY_SPC_SET
• Трекинг результатов Result Tracker
• NODOUT и ELOUT
• Управление формулировкой элементов
• *SECTION_SOLID
• *SECTION_SHELL

9. Workbench LS-DYNA ACT: расширенные возможности
9© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
• Учет статических нагрузок через меню Dynamic Relaxation
• *CONTROL_DYNAMIC_RELAXATION только для гравитации или
перднатяга болтов
• Обходим ограничение подключая внешний блок карт
*KEYWORD
*DEFINE_CURVE
$ ID sidr sfa sfo offa offo dattyp unused1
200 2 0 -1000000 0 0 0
$ a1 o1 unused1
0 1
1 1
*LOAD_SEGMENT_SET
$ ssid lcid sf at dt unused1
7 200 0 0 0
*END

10. Создание предварительно напряженного состояния
10© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
В целях экономии ресурсов гидростатическая составляющая давления
прикладывается непосредственно к поверхности сферической оболочки.
ANSYS Mechanical
Квадратичные
элементы
ANSYS Workbench LS-DYNA
(Dynamic Relaxation)
Полноинтегрируемые
элементы

11. Гексаэдральная и тетраэдральная сетка
11© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014

12. Верификация результатов
12© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
-1.5E-03
-1.0E-03
-5.0E-04
0.0E+00
5.0E-04
1.0E-03
1.5E-03
2.0E-03
0.0E+00 5.0E-04 1.0E-03 1.5E-03 2.0E-03 2.5E-03
Перемещение,м
Время, с
Литература, Θ=0 Литература, Θ=π/2
Литература, Θ=π LS-DYNA, Θ=0
LS-DYNA, Θ=π/2 LS-DYNA, Θ=π
Θ=0
Θ=π/
2
Θ=π
Э.И. Григолюк, А.Г. Горшков – “Нестационарная гидроупругость оболочек”, Издательство
«Судостоение», Ленинград, 1974 год.

13. Выводы
13© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014
• Взаимодействие оболочечных тел с ударными волнами рассмотрено
на примере задачи о падении ступенчатой плоской ударной волны на
полую замкнутую сферическую оболочку
• Полученные результаты совпадают с данными из литературы с
инженерной точностью
• Выработана методика построения КЭ сеток для подобных задач
• Данные КЭ сетки подходят и для тел более сложной топологии, чем
сферические
• Изучена возможность учета предварительно напряженного состояния
конструкции от статических нагрузок
• В качестве основного расчетного инструмента рекомендуется
использовать решатель ANSYS LS-DYNA и графическую оболочку
ANSYS Workbench LS-DYNA

14. Спасибо за внимание!
Беляев Я. В.,
ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Новожилов Ю.В.,
ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014