简单易用的杆板碰撞侵彻计算程序

方生

1.功能及特点
       功能：如图1所示的两根杆发生碰撞、杆碰撞刚性墙及杆侵彻厚靶等问题中，分析杆的运动及杆中应力波传播过程:
       特点：用户不需要深入了解有限元原理,不需要很深入涉及建模、计算参数控制等数值计算，只需要在参数设置文件中把问题描述清楚即可；程序本身不涉及任何第三方软件(程序的计算结果数据文件虽写成TECPLOT处理形式，但用户完全可以通过简单的程序语言编程进行处理)，不涉及版权问题。

2.使用方法
(1) 在PARAMETER.DAT中定义参数
(2) 运行程序
        双击运行程序BAR_IMPACT_v1.0.exe生成结果数据文件：
RESULT1.dat  ----等值云图动画文件
RESULT2.dat ----节点数据时间历程文件(节点位置在test.dat中说明，test.dat中的位置是板上表面中心开始的x方向不同位置，或直可接查看RESULT2.dat中各个节点的ux,uy,uz)
RESULT3.da t----单元数据时间历程文件(单元位置在test.dat中说明)
RESULT5.da t----不同时刻空间速度分布(与节点位置对应)
RESULT8.da t----接触力时间历程文件

使用Tecplot打开即可观察结果，也可用MATLAB或其他工具处理。

        注意:计算前程序显示的估算需要时间是非常粗略的，在计算中随时可以在界面上输入”1”，显示实际已用时间及需要时间。计算时间的估算根据不同系统而有所差异，在有的系统中可能会出错，尽供参考。

3.测试算例
3.1  杆碰撞
根据文献(Thomas J.R. HUGHES, Robert L. TAYLOR, 1976)中的算例，两个几何上完全相同的弹性杆正碰，约束横向的位移，使模型所有节点只发生纵向运动。采用规一化的参数，杆的长度为10，截面积为1，杆的弹性模量为1.0，密度为1.0，Bar I的初速度为1.0。在半径方向只设置一个网格，计算模型如图2所示:

计算得到的接触端面上节点纵向位置及速度如图3所示:

计算得到不同时刻沿纵向的纵向速度分布如图4所示:

3.2 杆碰撞刚性墙
      对Bar II施加全约束，模拟刚性墙。首先约束Bar I的横向位移，计算模型如图5所示:
      杆的材料模型参数同上述杆碰撞算例中的设置。计算得到的不同时刻的纵向速度等值云图及速度沿纵向的分布如图6所示：
     计算得到的接触力如图7所示:

     不约束BarII的横向位移，并采用具有实际单位制的材料模型参数，计算得到的如图8所示:

     计算得到的接触力如图9所示：

3.3  杆侵彻厚靶
      以Bar II 作厚靶，增大其半径及长度(厚度)，得到 如图10所示的计算模型：
       计算得到的不同时刻的杆及靶的构型如图11所示:
4.开发者说明
(1) 该程序为自主编制的结构动力学有限元计算程序，用于教学及科研，本次发布的求解器在64-bit win 7 Enterprise系统下编译生成。实现原理见参考文献((Belytschko & Neal, 1991) 。
(2) 该程序不得用于商业目的。在开发过程中，开发者使用了一定的测试算例与LS-DYNA3D软件计算结果进行过系列比对，计算结果比较符合。但程序开发者对用户使用该程序计算结果的正确性及由此导致的任何后果不负有责任，请用户自行判断。欢迎向作者报告程序运行中可能发生的错误，欢迎与作者讨论以利于改进。

Reference
Thomas J.R. HUGHES, Robert L. TAYLOR, J. L. S. (1976). A FINITE ELEMENT METHOD FOR A CLASS OF CONTACT-IMPACT PROBLEMS. COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING, 8, 249–276.

Belytschko, T. E. D., & Neal, M. (1991). CONTACT-IMPACT BY THE PINBALL ALGORITHM WITH PENALTY AND LAGRANGIAN METHODS, 31, 547–572.