Numerical Simulation of Large Plastic Deformations and Free Flight of a Beam After Impact with a Rigid Stop


Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

A numerical method for analyzing fast-flowing dynamic behavior of a system of bodies during their contact interaction is investigated. The research method is based on the analysis of solution convergence when the finite element grid is condensed and the time step is reduced. The algorithm and the corresponding computer program were developed by the authors. The problem is considered in a geometrically and physically nonlinear formulation, large elastic and plastic deformations are considered. The finite element method is used. The simplest triangular finite element with a linear displacement field is used. The initial grid of finite elements is assumed to be uniform; in the process of plate deformation, it is greatly modified, since large displacements are simulated. Plane strain is considered. The criterion for the onset of plastic shear is shear stress achieving a certain limit set in the conditions of the problem. The relationship between strain and stress implemented in the program implies taking into account the strain history of the material at a given point, and not just the current value of strain. The model also allows to consider unloading, if such is the case. The calculation model is focused on the correct consideration of geometry with large displacements and rotation angles, allows consideration of free flight of the components of the model, their contact interaction. In terms of integrating the equations of motion, the program relies on an explicit calculation scheme with Adams extrapolation. The application of the described algorithm is based on the example problem of a flying short beam (plate) hitting a rigid stop. The example considers impact interaction, rebound from the stop, and free flight of the vibrating beam. The elastic and inelastic behavior of the material is compared. The wave nature of the solution is demonstrated. The example is comprehensively analyzed, in particular, convergence is investigated when the grid is doubled and the time step is reduced. The maximum number of finite elements is 204800. The numerical algorithm has a number of features: constant stress acquisition and storage for planes oriented along the fixed global axes, and the possibility of shear deformation at any of the critical planes. It is concluded that it is impossible to achieve convergence for accelerations when the grid is condensed, and it is concluded that this impossibility is not fatal for the method. As an alternative, it is proposed to determine the acceleration of the center of mass of the beam or any fragment of the model.

Авторлар туралы

Alexey Shtein

Russian University of Transport

Email: avsh7714@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-2232-5121
SPIN-код: 3150-4438

Associate Professor of the Department of Structural Mechanics

9/9, Obraztsova St, Moscow, 127994, Russian Federation

Vladimir Zylev

Russian University of Transport

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: zylevvb@ya.ru
ORCID iD: 0000-0001-5160-0389
SPIN-код: 5833-9120

Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Structural Mechanics

9/9, Obraztsova St, Moscow, 127994, Russian Federation

Әдебиет тізімі

  1. Cao X., Jiang H., Ru Y., Shi J. Asymptotic solution and numerical simulation of lamb waves in functionally graded viscoelastic film. Materials. 2019;12(2):268–284. https://doi.org/10.3390/ma12020268
  2. Kielczynski P., Szalewski M., Balcerzak A., Wieja K. Propagation of ultrasonic Love waves in nonhomogeneous elastic functionally graded materials. Ultrasonics. 2016;65:220–227. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.10.001 EDN: VFDHLH
  3. Ezzin H., Wang B., Qian Z. Propagation behavior of ultrasonic Love waves in functionally graded piezoelectric-piezomagnetic materials with exponential variation. Mechanics of Materials. 2020;148:103492. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2020.103492 EDN: ZDRWFI
  4. Liguori F., Madeo A., Garcea G. A mixed finite-element formulation for the elasto-plastic analysis of shell structures. Materials Research Proceedings. 2023;26:227–232. https://doi.org/10.21741/9781644902431-37
  5. Wang C., Wang H., Shankar K., Hazell P.J. Dynamic failure behavior of steel wire mesh subjected to medium velocity impact: Experiments and simulations. International Journal of Mechanical Sciences. 2022;216:106991. https:// doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106991
  6. Chung J., Hulbert G.M. Explicit time integration algorithms for structural dynamics with optimal numerical dissipation. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2021;375:113664. https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113664
  7. Wang X., Zhang L., Chen Z. A new explicit time integration scheme for nonlinear dynamic analysis. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2022;123(8):1867–1889. https://doi.org/10.1002/nme.6931
  8. Zhou Y., Zhang W., Jiang Q. An improved explicit time-marching procedure with controllable numerical dissipation. Applied Mathematical Modelling. 2023:114:1–18. https://doi.org/10.1016/j.apm.2022.09.018
  9. Huang D.Z., Pazner W., Persson P.O., Zahr M.J. High-order explicit time integration schemes for structural dynamics with minimal overshoot. Journal of Computational Physics. 2020;412:109441. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2020.109441
  10. Pandolfi A., Ortiz M. A comparative study of explicit and implicit time integration schemes for dynamic fracture problems. Engineering Fracture Mechanics. 2021;245:107562 https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107562
  11. Shtein A.V., Zylev V.B. Problems of structural dynamics with negative time. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2024;20(3):276–288. (In Russ.) http://doi.org/10.22363/1815-5235-2024-20-3-276-288
  12. Zylev V.B. Computational methods in nonlinear mechanics of structures. Moscow: SIC Engineer Publ.; 1999. (In Russ.) ISBN 5-8208-0012-5
  13. Alexandrov A.V., Potapov V.D., Zylev V.B. Construction mechanics: in 2 books. Book 2. Dynamics and stability of elastic systems. Moscow: Vysshaya shcola Publ.; 2008. (In Russ.) ISBN 978-5-06-005357-9
  14. Zylev V.B., Grigoriev N.A., Alferov I.V. About the acceleration of points of elastic bodies in collisions. Structural mechanics and analysis of constructions. 2019;(2):59–61. (In Russ.) EDN: DJHVAE
  15. Zylev V.B., Grigoriev N.A. Chinese spinning top as a test for performing contact dynamic tasks. Structural mechanics and analysis of constructions. 2015;(3):42–47. (In Russ.) EDN: UABYQN

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».