刚性小车碰撞混凝土桥墩，碰撞力问题

12345gaoxing

如题，问题1：小车为简化小车采用MAT20刚性材料，重量2T，速度5m/s，碰撞力为2500kN，当我改变速度为7m/s时，碰撞力为2500kn。但是把质量变为0.5T，速度是7m/s，碰撞力还是2500kn。为什么改变速度碰撞力会改变，而改变质量碰撞力没有变化。

问题2：当我把小车改为MAT3号材料时，采用本构为理想弹塑性Q235，重量2T，速度5m/s，碰撞力仅为550kN左右。为什么钢材材料碰撞和刚性体材料碰撞，碰撞力差别那么大？
稍后我会补充的一些参数。
问题1已解决，因为按照能量守恒来判断的话，E=0.5mv^2。所以理论上碰撞质量越大，那么碰撞力越大。但是，当碰撞质量增大时，持时也增大，那么根据动量守恒来分析，pt=mv，t增大了，m增大了，p可以稍微的增大或者不变（主要观察t和m的增大比例）。
对于问题2，目前来说两种不同的结果可能是不同材料吸能产生的。当刚性小车撞击桥墩时，混凝土的内能大于纵筋内能。但当钢材Q235小车撞击桥墩时，纵筋内能大于混凝土。这是什么原因呢？
继续对于问题2，已经解决了很多，理了下思路，晚上整理下回复！

empty4585

Compete your question, such as models, pictures or more desicription.
If this is an elastic collision, this result will not be like what you said.
Kinetic energy is equal to "0.5*m*v^2", and the impact force should be proportional to the kinetic energy for general.

12345gaoxing

empty4585 发表于 2016-4-22 17:51
Compete your question, such as models, pictures or more desicription.
If this is an elastic collisio ...

plastic collision, but the MAT of the car is rigid

90357

楼主，可以随便给一个碰撞的学习例子？拿来学习一下，，菜鸟呀

12345gaoxing

90357 发表于 2016-4-25 21:30
楼主，可以随便给一个碰撞的学习例子？拿来学习一下，，菜鸟呀

您是做哪方面的，学生还是什么

蓝牙

我来帮你理下思路
如果是刚体，冲击力大致等于=M（v0-v1）/t   vo为初始速度 ，v1为最终速度  两者相间减速度变化量，t是整体接触时间，这就是冲量定力

如果是弹性体，比如是个弹簧，接触时间肯定要加长，这时候理论上讲冲击力峰值要小于刚体。虽然峰值小但是接触时间更长，传递的能量不好说！

至于后面的问题你按照上述原则继续推想

12345gaoxing

蓝牙 发表于 2016-4-27 20:44
我来帮你理下思路
如果是刚体，冲击力大致等于=M（v0-v1）/t   vo为初始速度 ，v1为最终速度  两者相间减速 ...

但是存在个更奇怪的现象，桥墩在钢材小车碰撞后的挠度大于刚性体产生的挠度。这个可以解释，毕竟E=0.5mv^2=FS，碰撞力和位移成反比。

蓝牙

12345gaoxing 发表于 2016-4-27 21:03
但是存在个更奇怪的现象，桥墩在钢材小车碰撞后的挠度大于刚性体产生的挠度。这个可以解释，毕竟E=0.5mv^ ...

你没有认真看我的回复，这是作用时间更长啊，传递的能量更大啊！

12345gaoxing

蓝牙 发表于 2016-4-27 21:32
你没有认真看我的回复，这是作用时间更长啊，传递的能量更大啊！

可以这么假设的，因为小车会反方向反弹的，所以肯定有速度为0点，那么这个时刻传递的能量肯定是最大的。

empty4585

       其实这个问题，楼主私下问过我，我给了他若干提示和解决办法，他似乎一直没有去实施。
       我在这里稍加归纳和梳理一下吧，希望能抛砖引玉：
      
       问题描述：
       同一个被撞物：钢混结构桥墩；
       同一撞击物：带有冲头的理想台车模型；
       不同的材料属性：Q235的钢材Mat03 与 刚体Mat20
       于是，我们把两种典型工况称为，mat3--> CASE1，mat20--> CASE2。
       疑问：
       1）对于CASE2，为何质量和速度分别发生较大变化，但碰撞力却变化不大？
       2）CASE1 为何于 CASE2 在同样质量与初速度的前提下，碰撞力要小如此多，只有其1/3左右？

       回答：
       1）
       这个问题，总版已经从动量定理的角度做出了一定的解释，与我私下与你的交谈也是一致的。我在此再稍加梳理，以便我们和来此贴的同学查看。
       首先，从动量定理角度来定性判断，对台车而言： m1*delta(V1)=F*delta(t)，
       我们可以查看同一变化时间内的动量情况，也就是说我们假设了delta(t)是同轴的，此时F作为考查量，m1 如果增大，那delta(V)怎么变化呢？在同样的时间增量内，撞入速度相等，那他们的弹出速度又如何呢？ 楼主可以对CASE2的三个设计点，一一进行查看，给出这方面的数据对比，也就是说，质量越大，但弹出速度也会变大，速度损失反而减小，最后可能的结果就是三个设计点的 F 都相差不多。
       2）
       因为桥墩是变形体，而且可以损伤失效，所以这个碰撞过程中，动能守恒是不成立的，也就不能应用FS=0.5*m(v^2-v'^2)。但这个过程中能量是守恒的，动能损失的部分，转化为了变形势能、数值伪能（主要是沙漏能）和接触滑移能（滑移能也有伪能的成分）（这个过程未考虑其他物理场也未考虑系统阻尼）。所以，应当分别查看CASE1、2中各设计点的能量变化情况与转化比。
       而且这个过程中，系统是不受外力的，所以符合动量守恒，我们定义delta(V1)=V1-V1'，即撞入速度减去弹出速度，同样的，对于桥墩，其动量改变为 m2*delta(V2)=m2*(V2-V2')，动量守恒则有，m1*(V1-V1')=m2*(V2-V2')，所以也可以查看同样时间增量内的速度变化情况，对于变形体，可以查看其刚体速度（history--part--rigid body velocity）。
      上面说的都是一些可深入研究的方向，下面说一说我的经验判断。
      CASE1 的碰撞反力小，其实是很正常的，一，这符合我们设计车辆的原则，即利用车辆发动机舱的变形势能来降低一次碰撞的碰撞力，也就是加速度（二次碰撞此处不讨论）。所以CASE1 和 CASE2 的车身纵向x轴的加速度对比应该如下图：
      红色为mat20，case2，蓝色为mat3，case1。
       一个持续时间很长，一个快速就弹出了，楼主可以给出你的数据，检验我的说法。
       至于case1 和 case2 的能量转化，case1 动能损失肯定要大于 case2，也就是说假如经过足够长的实际， case1 的台车会以较低的速度反弹（其实真实中就停在那里了），而case2 会以某个速度弹出。这个过程中，损失掉的动能，case1 由 桥墩和台车 共同承担， case2 则只有 桥墩承担。 至于你说的case1 桥墩的挠度大于 case2，这也是很正常的，能量转换的多，虽然由台车承担了一部分，但仍由很大成分被桥墩吸收，当然桥墩里包含混凝土何钢筋，而你说的case1，钢筋内能更大，case2 混凝土内能更大，这个过程，我的推测是这样的，case1，桥墩吸收的内能更大，变形也就更大，在混凝土承受不了的时候，会失效，此时受拉的部分主要由钢筋来提供了。而case2，吸收的内能本来就小，可能还激发不到钢筋来承担过多的部分。
       时间关系，大概就这些吧。两种工况，碰撞过程定性判断如下图，帮助大家理解：
      
P.S  总版都来了，就不装逼整英文了。再有，我特别想说一句，作为一名还没入门的工程师，我，看到有些人那么懒，问的问题如此简陋不堪，我真的懒得看，我相信我这种没入门的都没心情看，就别说大神了。所以，哥们求求你们，给我点秀英文的机会。
         

蓝牙

empty4585 发表于 2016-4-28 10:50
其实这个问题，楼主私下问过我，我给了他若干提示和解决办法，他似乎一直没有去实施。
       我在 ...

我赞成你的观点


解释的非常细致，而且很有条理！

你的到来时dyna版之福，dyna版在这么多年的积累的基础上发展成现在这个样子，可以说是个宝藏，这里面的帖子很多质量都很高！我对dyna版是很有感情的，最早是abaqus 接着是dyna版主，和gdyu-yu 商量着怎么提高人气，怎么梳理陈年老帖，也算是对这个版还是有点贡献吧！  希望该板块在你的带领下，老树吐新芽，换发第二春哈！

12345gaoxing

empty4585 发表于 2016-4-28 10:50
其实这个问题，楼主私下问过我，我给了他若干提示和解决办法，他似乎一直没有去实施。
       我在 ...

首先这样说吧，您给我提的意见我也那样做了，还是按您说的MAT 3-case1，MAT 20-case2。以下为分析出来的一些各部件动能、能量、小车速度和加速的变化情况。2个cases中伪能量（沙漏能）都是6%。之前模型中case1和case2为什么钢筋和混凝土的内力不一样，我真不知道是我建模中模型的问题还是什么问题。所以昨天重新建模了，发现钢筋和混凝土内能分配基本一样。之前的模型桥墩截面尺寸为200x200，element size is 25mm。现在element size is 10mm，分析结果可以见下图。很明显，碰撞后case1小车反向速度为7.26e-5m/s，case2的反向速度为7.30e-5m/s，两个初始速度均为5m/s。两者整个碰撞加速度可以看下图，基本一致。
能量图中1为混凝土，4为纵筋，5为箍筋。两个cases中，纵筋和箍筋动能一样；case 1中，混凝土动能是1.0 e6，case 2中，混凝土动能是 1.1 e6，这些相差10%。
两个cases中，各部件的内力消耗是一致的，分配比例也是一样的。但是在case 1中，小车内能为0.7 e-5；case 2 为0。
综述所述，两个case中的各部件的能量基本是一致的，唯一区别是case 1中的部分混凝土内能转化为小车内能。
那么在能量转化基本都保持一致的情况下，case1的碰撞力为case2的60%，这种情况唯一可以解释的是就是撞击时的撞击物刚度。当撞击能量一致，case1 混凝土耗能为case 2的91%，而且case 1的持时比case 2大 20ms左右，碰撞后桥墩的水平方向挠度大小一样。在以上条件下，按照动能守恒定理，case 1E=0.5*m（v0^2-v1^2)-E(小车能量)=FS，case 2 E=0.5*m（v0^2-v1^2）=FS，那么impact Force（case 1）>impact Force（case 2）.其次，根据动量守恒PT=MV，T（case 1）>T（case 1）,impact Force（case 1）<impact Force（case 2）.加上碰撞刚度的影响，CASE1 F > CASE 2 F.那么我想知道为什么这么小的能量差异，会引起这么大的impact force变化呢？
还有您说的损伤失效，能否具体说明下，难道一个element一个element的查？

empty4585

能不能给一些所需数据的对比图或者对比表，你写论文，如果都是这么把数据一堆，让人看起来有些费劲，最近也比较忙，说实话，真的难有兴趣和心情帮你提炼这些信息。。。
希望你能进一步处理一下。

90357

12345gaoxing 发表于 2016-4-27 10:06
您是做哪方面的，学生还是什么

学生，也是做碰撞方面的。用ansys/ls-dyna

12345gaoxing

90357 发表于 2016-5-19 10:15
学生，也是做碰撞方面的。用ansys/ls-dyna

ok so what is ur problem

90357

12345gaoxing 发表于 2016-5-19 11:19
ok so what is ur problem

Now i have some problems，for example penetration。