CN112883611A - 一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，包括以下步骤：(a)根据质量一致原则，发明等效薄膜的平面尺寸及厚度确定方法；(b)根据金属环形网规格，发明等效薄膜的材料力学参数确定方法；(c)根据以上确定的薄膜等效参数，实现等效薄膜壳单元有限元模型的建立方法；(d)明确冲击块与薄膜的冲击接触作用参数，赋予冲击块初速度并进行动力非线性计算；(e)等效薄膜承载能力的判断评价方法。本发明解决了离散金属环形网的快速计算简化难题，其计算效率相较于传统的离散接触态环梁模型可提高十倍以上，精度基本持平，可用于柔性防护网工程的冲击与防护设计。

Description

一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法
技术领域
本发明为一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，涉及边坡地质灾害防护领域。
背景技术
落石灾害是最为严重的边坡地质灾害之一，对交通沿线和重要基础设施以及人员生命、财产安全带来严重威胁。柔性落石防护系统是近年来最常用的落石灾害防护手段之一，金属环形网是系统中最为复杂的受力构件，其在落石冲击下的动力计算涉及材料非线性、几何非线性和接触非线性等复杂非线性问题。
目前，金属环形网最常用的离散接触态环梁单元模型存在建模繁琐、计算效率低的问题。
发明内容
针对于此，本发明提出了一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，用薄膜模拟金属环形网，使薄膜在面外加载过程中表现出与金属环形网一致的力-位移关系，即加载刚度一致，能够极大提高金属环形网的建模效率和计算效率，并能够根据不同金属环形网的边界条件植入到柔性防护系统的整体计算中，大大提升了柔性落石防护系统的科研效率和工程设计效率，并为金属环形网的大规模集群计算提供可行性。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现，包括：
一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，包括如下步骤：
步骤一，根据质量一致原则确定等效薄膜的平面尺寸及厚度；
步骤二，根据金属环形网规格确定等效薄膜的材料力学参数；
步骤三，采用壳单元建立等效薄膜有限元模型；
步骤四，确定冲击块与等效薄膜的接触参数，赋予冲击块初速度并进行动力非线性计算；
步骤五，判断等效薄膜及其他构件是否达到承载能力极限。
进一步地，在步骤一中，等效薄膜的平面尺寸与金属环形网的平面尺寸保持一致，等效薄膜厚度t根据薄膜与网片质量一致原则确定，由下式计算：
Figure BDA0002939410470000021
式中mn是规格为n圈的金属环形网每平米的质量，ρ为钢材的密度。进一步地，在步骤二中，等效薄膜材料的力学参数包括弹性模量E、泊松比ν、应力-应变曲线σ-ε、屈服应力σy和失效应变εf，其中泊松比ν＝0.3，屈服应力σy＝0MPa，弹性模量E(MPa)和失效应变εf的计算公式如下：
E＝-99.5n+11911
εf＝0.0006n2-0.0187n+0.3286
等效薄膜的应力应变曲线计算公式如下：
σ＝M(eN·ε-1)
M＝0.1124+(n-5)×0.105
N＝31.85-(n-5)×0.139
式中σ、ε为薄膜的应力及应变，M、N为只与金属环形网圈数n相关的量，e为自然常数。
进一步地，在步骤三中，有限元模型的建立过程中薄膜采用高效的Belytschko-Lin-Tsay单点积分壳单元，薄膜的几何尺寸根据已明确的平面尺寸及厚度确定，壳单元网格尺寸取值范围在薄膜短边长的1/100～1/50；采用索单元建立钢丝绳并定义薄膜与钢丝绳间的柔性可滑移边界，采用梁单元建立钢柱并对柱脚设置铰接约束，采用实体单元建立冲击块。
进一步地，在步骤四中，等效薄膜和冲击块的接触采用罚函数和库伦摩擦模型的面-面接触，摩擦系数0.3～0.4，需设置冲击块为主面，薄膜为从面。
进一步地，在步骤四中，根据设计冲击动能E＝mv2/2，赋予质量为m的冲击块初速度v，并进行动力非线性计算求解。
进一步地，在步骤五中，根据薄膜进行动力非线性求解后得到的最大应变值判断薄膜是否失效，以此判断金属环形网是否失效，若最大应变值小于失效应变εf，则金属环形网未发生破坏；若最大应变值大于或等于失效应变εf，则金属环形网发生破坏。
进一步地，在步骤五中，所述其他构件包括钢丝绳和钢柱，钢丝绳和钢柱根据钢结构常规的失效判别依据进行失效判断。
进一步地，该方法的计算结果还能够获取冲击块对金属环形网的冲击力和冲击位移、钢丝绳拉力、钢柱内力的冲击动力响应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明首次提出了一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，是对现有金属环形网数值模拟方法的补充和完善。
(2)提高了金属环形网的建模效率。
(3)极大提高了包含金属环形网的柔性防护系统的计算效率，计算速度可提升十倍以上，为科研与工程设计提供一种高效计算方法。
(4)为并为金属环形网的大规模集群计算(如边坡防护中帘式网的计算)提供可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的采用传统方法建立的被动网有限元模型示意图；
图2为本发明一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法建立的被动网有限元模型示意图；
图3为本发明一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法建立的被动网有限元模型正视冲击变形图；
图4为本发明一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法建立的被动网有限元模型俯视冲击变形图；
图5为本发明一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法的金属环形网和等效薄膜面外加载示意图及其力-位移曲线；
图6为本发明一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法的等效薄膜的材料应力-应变曲线；
图7为本发明一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法的薄膜的等效柔性可滑移边界(引导滑移接触)示意图；
图中，附图标记释义如下：
金属环形网(1)、等效薄膜(2)、冲击块(3)、钢丝绳(4)、钢柱(5)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请基于金属环形网的模拟所采用的传统离散接触态环梁单元模型建模繁琐、计算效率低的难题，利用薄膜单元模拟金属环形网，等效计算薄膜的几何尺寸、等效材料力学参数和等效边界条件等。如图2-7，具体方法如下：
一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，包括如下步骤：
步骤一，根据质量一致原则确定等效薄膜2的平面尺寸及厚度；
步骤二，根据金属环形网1规格确定等效薄膜的材料力学参数；
步骤三，采用壳单元建立等效薄膜2有限元模型；
步骤四，确定冲击块与等效薄膜2的接触参数，赋予冲击块3初速度并进行动力非线性计算；
步骤五，判断等效薄膜2及其他构件是否达到承载能力极限。
在步骤一中，等效薄膜2的平面尺寸与金属环形网1的平面尺寸保持一致，
等效薄膜2厚度t根据薄膜与网片质量一致原则确定，由下式计算：
Figure BDA0002939410470000041
式中mn是规格为n圈的金属环形网1每平米的质量，ρ为钢材的密度，取7850kg/m3。具体不同规格金属环形网1的等效薄膜2厚度可根据下表1取值。
表1不同圈数n对应的薄膜厚度
Figure BDA0002939410470000051
本发明所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，解决了传统的金属环形网有限元模型建模繁琐，计算效率低的问题，为金属环形网非线性动力计算提供了一种便捷有效的模拟方法，其计算速度相较于传统的离散接触态环梁模型可提高十倍以上，极大提高了科研与工程设计的效率。
实施例
以建立图2所示被动网系统的等效薄膜有限元模型为例进行具体说明，所建立的被动网网环圈数为n＝9，金属环形网平面尺寸30m×10m，冲击块质量5000kg，冲击能量1000kJ。
步骤一：根据质量一致原则确定等效薄膜的平面尺寸及厚度。等效薄膜的平面尺寸与原被动网保持一致，即30m×10m，薄膜厚度可根据表一确定，为0.76mm。
步骤二：确定薄膜的材料力学性能参数。等效薄膜材料的力学参数包括弹性模量E、泊松比ν、应力-应变曲线σ-ε、屈服应力σy和失效应变εf，其中泊松比ν＝0.3，屈服应力σy＝0MPa，弹性模量E和失效应变εf的计算公式如下:
E＝-99.5n+11911＝11015.5(MPa)
εf＝0.0006n2-0.0187n+0.3286＝0.209
根据等效薄膜的应力应变曲线计算公式计算其σ-ε曲线：
M＝0.1124+(n-5)×0.105＝0.5324
N＝31.85-(n-5)×0.139＝31.294
σ＝M(eN·ε-1)＝0.5324×(e31.294ε-1)
所得到的应力-应变曲线即图4中n＝9所示曲线，将曲线输入至模型。
步骤三：采用壳单元建立等效薄膜的有限元模型，定义薄膜的边界条件。薄膜有限元模型的建立过程采用Belytschko-Lin-Tsay单点积分壳单元，将前述30m×10m的几何平面进行有限元网格划分，壳单元网格尺寸可取薄膜短边长的1/100为100mm，采用索单元建立钢丝绳并定义薄膜的柔性可滑移边界，柔性可滑移边界可通过定义薄膜边界上的节点集与绳索单元的GUIDED_CABLE引导滑移接触方式实现，采用梁单元建立钢柱，并对柱底节点进行约束，采用实体单元建立冲击块。
步骤四：确定冲击块与等效薄膜的接触参数，赋予冲击块初速度并进行动力非线性计算。薄膜和冲击块的接触为采用罚函数和库伦摩擦模型的面-面接触，摩擦系数可取0.3～0.4，需设置冲击块为主面，薄膜为从面。赋予冲击块初速度并进行非线性动力求解。根据设计冲击动能E＝mv2/2＝1000kJ，赋予质量为5000kg的冲击块初速度v＝20m/s，并在软件中进行非线性动力计求解。
步骤五：判断薄膜及其连接构件是否达到承载能力极限。在步骤二中已经得到薄膜的失效应变为0.209，在模型后处理中获取最大应变值小于失效应变0.209，则相应的金属环形网未发生破坏；若最大应变值大于或等于失效应变0.209，则金属环形网发生破坏。钢柱可查看最大有效应力小于设计强度即可，钢丝绳可查看轴力小于相应规格钢丝绳最小破断力即可。
进一步地，可根据计算结果获取冲击块对薄膜(金属环形网)的冲击力、冲击位移、钢丝绳拉力、钢柱内力等一系列冲击动力响应。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的内容基础上做出一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，根据质量一致原则确定等效薄膜(2)的平面尺寸及厚度；
步骤二，根据金属环形网(1)规格确定等效薄膜的材料力学参数；
步骤三，采用壳单元建立等效薄膜(2)有限元模型；
步骤四，确定冲击块与等效薄膜(2)的接触参数，赋予冲击块(3)初速度并进行动力非线性计算；
步骤五，判断等效薄膜(2)及其他构件是否达到承载能力极限。
2.根据权利要求1所述的一种金属环形网(1)冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，在步骤一中，等效薄膜(2)的平面尺寸与金属环形网(1)的平面尺寸保持一致，等效薄膜(2)厚度t根据薄膜与网片质量一致原则确定，由下式计算：
Figure FDA0002939410460000011
式中mn是规格为n圈的金属环形网(1)每平米的质量，ρ为钢材的密度。
3.根据权利要求1所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，在步骤二中，等效薄膜(2)材料的力学参数包括弹性模量E、泊松比ν、应力-应变曲线σ-ε、屈服应力σy和失效应变εf，其中泊松比ν＝0.3，屈服应力σy＝0MPa，弹性模量E(Mpa)和失效应变εf的计算公式如下：
E＝-99.5n+11911
εf＝0.0006n2-0.0187n+0.3286
等效薄膜(2)的应力应变曲线计算公式如下：
σ＝M(eN·ε-1)
M＝0.1124+(n-5)×0.105
N＝31.85-(n-5)×0.139
式中σ、ε为薄膜的应力及应变，M、N为只与金属环形网(1)圈数n相关的量，e为自然常数。
4.根据权利要求1或2所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，在步骤三中，有限元模型的建立过程中薄膜采用高效的Belytschko-Lin-Tsay单点积分壳单元，薄膜的几何尺寸根据已明确的平面尺寸及厚度确定，壳单元网格尺寸取值范围在薄膜短边长的1/100～1/50；采用索单元建立钢丝绳(4)并定义薄膜与钢丝绳间的柔性可滑移边界，采用梁单元建立钢柱(5)并对柱脚设置铰接约束，采用实体单元建立冲击块(3)。
5.根据权利要求1所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，在步骤四中，等效薄膜(2)和冲击块(3)的接触采用罚函数和库伦摩擦模型的面-面接触，摩擦系数0.3～0.4，需设置冲击块(3)为主面，薄膜为从面。
6.根据权利要求1所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，在步骤四中，根据设计冲击动能E＝mv2/2，赋予质量为m的冲击块(3)初速度v，并进行动力非线性计算求解。
7.根据权利要求1或2所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，在步骤五中，根据薄膜进行动力非线性求解后得到的最大应变值判断薄膜是否失效，以此判断金属环形网(1)是否失效，若最大应变值小于失效应变εf，则金属环形网未发生破坏；若最大应变值大于或等于失效应变εf，则金属环形网(1)发生破坏。
8.根据权利要求1或2所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，在步骤五中，所述其他构件包括钢丝绳(4)和钢柱(5)，钢丝绳(4)和钢柱(5)根据钢结构常规的失效判别依据进行失效判断。
9.根据权利要求1-8之一所述的一种金属环形网冲击力计算的薄膜等效模拟方法，其特征在于，该方法的计算结果还能够获取冲击块对金属环形网(1)的冲击力和冲击位移、钢丝绳拉力、钢柱内力的冲击动力响应。
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