0 引言

薄板结构是一种常见的结构形式，广泛应用于机械加工、工业制造、航空航天、土木工程、汽车及船舶制造等领域中，如容器、飞行器外壳、金属幕墙等。由外物撞击导致的薄板结构损伤屡见不鲜，如飞机鸟撞 ［1］问题、飞行器空间碎片 ［2］撞击、船壁撞击、飞石对车壁的撞击等，这些撞击损伤轻则带来财产损失，重则带来人员伤亡等灾难性后果。因而对薄板结构的撞击响应分析具有重要的意义。对于薄板撞击的数值分析已经广泛用于新材料的研发、测试及材料破坏机理的研究中，与传统的试验方法相比，数值仿真技术更是具有便捷、可重复、短周期、低成本等优点 ［3］。

本文采用ANSYS/LS-DYNA商业软件对钢球低速撞击薄铝板这一动态过程进行模拟分析，旨在通过铝板应力云图和竖向位移时程曲线评估铝板塑性变形的范围和程度，进而研究薄板结构在单次低速撞击作用下产生塑性变形范围、程度与撞击物质量之间的关系，为新型薄板材料的抗撞击能力测试、塑性变形评估提供一种仿真模拟方法。

总之，在教学实践中要始终以学生为主体，遵循学生的心理、生理特点，采取不同的教学手段，选择最好的方法去达到最佳效果，真正提高教学水平，培养出更多、更优秀的人才，这才是我们共同追求的方向和所期待的目标。

1 钢球撞击铝板的数值模拟

1.1 建立有限元模型

图1 ANSYS/LS-DYNA模型

利用 ANSYS 前处理器建立有限元模型，如图1。为研究薄板因撞击产生塑性变形的范围、程度与撞击物质量之间的关系，分别选取直径为20 mm、30 mm、40 mm钢球进行仿真模拟，三组钢球均以4.427 2 m/s的初始速度撞击尺寸为800 mm×800 mm×1 mm的靶体铝板，钢球及铝板的材料参数见表1～表2。铝板四周采用固端约束，为节省计算时间，将钢球距铝板1 mm高处释放，钢球和铝板分别选用刚体模型和双线性各向同性硬化模型，单位制采用g-cm-ms ［4］。

表1 钢球材料参数

密度/kg·m 7 800-3弹性模量/MPa 2.07×105泊松比0.3

表2 铝板材料参数

密度/kg·m 2 800-3弹性模量/M Pa 泊松比切线模量/MPa 0.8×105 0.33屈服极限/MPa 50 0.258×105

1.2 接触算法及参数选取

该碰撞过程中铝板会发生塑性变形，因而选用通用（STS）接触算法和“面-面”的接触类型，其分析方法采用显式积分法，网格划分均采用40×40×1，每个网格宽20 mm，时间步长取0.02 ms［5］，计算终止时间1 s。

2 模拟结果分析

图3～图5为直径20 mm、30 mm、40 mm钢球撞击下铝板的竖向位移时程曲线，由各组曲线可知，当钢球直径为20 mm时，铝板竖向最大位移为-5 mm,以撞击点为中心20 mm为半径的范围内产生塑性变形；当钢球直径为30 mm时，铝板竖向最大位移为-12.5 mm,以撞击点为中心40 mm为半径的范围内产生塑性变形；当钢球直径为40 mm时，铝板竖向最大位移为-20 mm,以撞击点为中心160 mm为半径的范围内产生塑性变形。铝板竖向最大位移均发生在撞击点处。

1.2.1 GGPPS启动子引物的设计 利用primer 6软件设计用于获得启动子不同缺失片段的引物，通过PCR扩增GGPPS基因启动子及一系列5'-端缺失片段。5'-端缺失片段与GGPPS基因启动子共用同一个下游引物GGPPS-R，在每条上游引物5'端加入SalⅠ酶切位点，下游引物5'端引入NcoⅠ酶切位点。根据他们上游引物在染色体上与基因转录起始点的位置分别命名为GGPPS1F、GGPPS2F、GGPPS3F。

图2 观察点选取示意图

利用 Ls-post 后处理软件对模拟结果进行数值分析，可分别得到各组模拟结果中各个时刻的物理参数。为观察铝板塑性变形的范围和程度，通过后处理软件对铝板提取观察点，对产生塑性变形较小的直径为20 mm和30 mm钢球撞击下的铝板，在撞击点及其右侧每隔20 mm取观察点，共取10个观察点，如图2，对产生塑性变形较大的直径为40 mm钢球撞击下的铝板，在撞击点及其右侧每隔40 mm取观察点，共取8个观察点。提取各组观察取点处竖向位移时程曲线，通过曲线可得到铝板板的竖向最大位移和发生塑性变形的面积。

发现诗词古文中的理，就是在拓展我们的思维，就是让我们能够从新的角度来审视自己的人生。如果仅仅是知道其中的理，但却不能结合到自己的思维中和自己的生活中，这样的理其实是死理。这只是古诗文中理的第一个层次。

图3 直径为20 mm钢球撞击下铝板的竖向位移时程曲线

图4 直径为30 mm钢球撞击下铝板的竖向位移时程曲线

图5 直径为40 mm钢球撞击下铝板的竖向位移时程曲线

图6分别为直径为20 mm和30 mm钢球撞击下铝板t=0.8 s时刻的应力云图，由于以上两种情况下铝板产生的塑性变形范围较小、程度较轻，因而应力云图在铝板中传播时近似呈均匀分布，无法通过应力云图准确判断塑性变形范围。图7为直径为40 mm钢球撞击下铝板t=0.005 s和t=0.8 s时刻的应力云图，由该应力云图可以看出撞击产生的应力在铝板内以撞击点为圆心向四周传播，最终在以撞击点为圆心180 mm为半径的区域产生塑性变形。

图6 直径为20 mm和30 mm钢球撞击下铝板t=0.8 s时刻的应力云图

图7 直径为40 mm钢球撞击下铝板t=0.005 s和t=0.8 s时刻的应力云图

3 结语

通过 LS-DYNA 有限元软件对不同尺寸的钢球低速撞击薄铝板进行模拟，通过模拟结果可知撞击在薄板结构中产生的应力以撞击点为圆心向四周传递，薄板产生的塑性变形亦呈以撞击点为圆心的圆形分布。通过薄板结构中各点的竖向位移时程曲线可对最终塑性变形的范围和程度进行评估，在大范围塑性变形的情况下，亦可通过薄板中的应力分布对塑性变形范围进行评估，随着撞击物质量的增加，薄板结构中产生的最大竖向位移增加，塑性变形的范围和程度亦随之增加。该模拟结果与实验结果非常相近，证明了该模拟分析方法的有效性，同时也为新型薄板材料的抗撞击能力测试、塑性变形分析提供一种仿真模拟方法。

参考文献

［1］ 周加良. 我国鸟撞事故统计[J]. 国际航空, 1991（9）: 56-57.

［2］都亨, 张文祥, 庞宝君, 刘静. 空间碎片[M]. 宇航出版社.2007.

［3］张胜民. 基于有限元软件ANSYS7.0 的结构分析[M]. 北京:清华大学出版社, 2003.

［4］尚晓江. ANSYSLS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].中国水利水电出版社, 2008.

［5］赵海欧. LS-DYNA 动力学分析指南[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2003.