Matlab中的dyna,基于Matlab与Ls-dyna的气缸冲击仿真解析
气缸广泛应用于各个领域[1],在气缸的冲击过程中,活塞杆与衬套会发生反复的摩擦,这会导致气缸产生不可避免的磨损,长时间的磨损将最终导致气缸的泄露.为了准确了解气缸的运行状态,本文对气缸的冲击运动进行了仿真分析,通过仿真不仅可以在严谨的科学基础上对多种运行状态下的气缸进行分析,还能对实际气缸运行过程中无法检测到的动态应力分布状况进行解析.在此之前有许多学者运用Matlab对气缸各物理量的集中式参数进行了仿真分析[2-3],建立了气缸的数学模型并求解了气缸在冲击过程中的压力、位移和速度等数据,但Matlab无法求解气缸在运行过程中的动态应力分布状况.气缸的有限元分析需要压力作为负载,目前的研究中没有有效的方法来模拟气缸在压力作用下的冲击运动,因此对于气缸在冲击过程中的动态应力分布等还未有深入的研究.本文运用Matlab与Ls-dyna对气缸进行了联合仿真分析,首先运用Matlab对气缸进行了建模与仿真,其次将Matlab求解得出的压力数据做为条件加载在Ls-dyna中,实现了气缸在有限元分析软件中的建模与仿真,模拟了气缸在压力作用下的冲击运动,最终通过仿真结果分析了气缸的动态等效应力分布特性.影响气缸的冲击运动特性的因素众多,其中活塞杆的冲击速度与负载是最为主要的两个影响因素,因此文中着重分析了活塞杆速度与负载对气缸动态等效应力分布的影响.1Matlab与Ls-dyna联合仿真方法本文提出了一种Matlab与Ls-dyna联合仿真的方法,以此来分析气缸的动态应力分布情况,Matlab作为一种数据分析与计算的高级技术计算语言和交互式环境,在气缸的数学建模和集中参数计算方面具有较大优势[3].Ls-dyna特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题[4],因此选择其对气缸的高速碰撞进行有限元的仿真分析.首先运用Matlab建立了气缸的数学模型,通过仿真得出气缸运行过程中的压力、位移和速度等信息,由于Ls-dyna的主程序文件可以在Matlab中打开并写入,运用Ls-dyna软件建立气缸的仿真模型后,可将Matlab中求解得出的压力数据直接加载在Ls-dyna的主程序文件中,即可仿真求解出气缸的运动状况以及动态等效应力分布情况.Matlab与Ls-dyna仿真得出的位移与速度数据进行对比可以对仿真结果进行验证.仿真流程图如图1所示.图1仿真流程图Fig.1Flowchartofsimulation本文主要选取市场上常见的紧凑型的气缸作为研究对象,其缸径为32mm,行程为100mm,气缸内零件尺寸以实际气缸为准.图2展示了气缸的结构与部分参数标量,气缸运行过程中,无杆腔内压力为p1,作用在无杆腔内的有效面积为A1,有杆腔压力为p2,作用在有杆腔内的有效面积为A2,无杆腔侧气孔由气源向无杆腔进行充气,有杆腔侧气孔由有杆腔向大气进行排气.Matlab与Ls-dyna中建立的气缸模型均以图2所示的气缸模型为准.图2气缸结构图Fig.2Cylinderstructurediagram2基于Matlab的气缸建模与仿真2.1数学模型的建立气缸数学模型的建立应从其工作介质气体的可压缩性这一基本特征出发,将进气、排气和活塞杆的运动过程做适当的简化,根据气体动力学和热力学的基本理论进行特性分析[2],因此气缸的数学模型需要能量方程、动力学方程和质量流量方程来建立方程组求解.在建立数学模型时将供气压、排气压和温度等作为已知条件带入到方程组中,以有杆腔压力、无杆腔压力和位移作为未知量来求解.气缸腔室的充放气过程为一变质量系统的热力过程,根
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