ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)非線性培訓金屬塑性解析課件

1、Workbench Mechanical結(jié)構(gòu)非線性第五章金屬塑性 第1頁，共29頁。章節(jié)概述這章包含以下內(nèi)容:彈性/塑性背景知識理論屈服準則強化準則一般過程作業(yè)本章描述的性能通常適用于ANSYS Structural 或以上的license.例外情況會根據(jù)需要說明第2頁，共29頁。A. 金屬塑性綜述什么是塑性?當延性材料承受的應(yīng)力超過其彈性極限時就會屈服產(chǎn)生永久大變形. 塑性是指材料響應(yīng)超過屈服極限.塑性對金屬成形非常重要.對于在役結(jié)構(gòu), 塑性作為能量吸收機構(gòu)很重要.小塑性變形時就會破壞的材料是脆性材料.延性響應(yīng)在多數(shù)情況下比脆性響應(yīng)安全.本章將通過定義特定術(shù)語來回顧塑性的基礎(chǔ)知識.第3頁，共

2、29頁。彈性回顧:在討論塑性前，有必要復(fù)習一下金屬彈性.對彈性響應(yīng)，如果產(chǎn)生的應(yīng)力低于材料的屈服極限，當卸載后，材料會完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。從金屬的觀點來說，這種行為是拉伸而不是破壞原子間的化學鍵 。因為彈性是由于原子鍵拉伸所造成的，因此可以完全恢復(fù)，另外彈性應(yīng)變應(yīng)該較小。金屬材料的彈性行為通常由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的胡克定律來描述:. 金屬塑性綜述第4頁，共29頁。塑性回顧:塑性變形是由于剪應(yīng)力（偏移應(yīng)力）所造成的原子平面的滑動而引起的。這種錯位移動本質(zhì)上是原子在晶體結(jié)構(gòu)重新排列造成卸載后不可恢復(fù)的應(yīng)變或永久變形.不像彈性，滑動通常不會帶來體積應(yīng)變（不可壓縮條件）Yield Strength syEl

3、asticPlasticUnloading. 金屬塑性綜述第5頁，共29頁。速率無關(guān)的塑性:如果材料的響應(yīng)與加載或變形的速率無關(guān), 那么這種材料就是速率無關(guān)的.大多數(shù)金屬材料在低溫下呈現(xiàn)與速率無關(guān)的行為和低應(yīng)變率 ( 1/4 或 1/3 融化溫度）.工程和真實的應(yīng)力應(yīng)變:工程應(yīng)力應(yīng)變可以用于小應(yīng)變分析，而塑性分析必須使用真實的應(yīng)力應(yīng)變, 因為它們更能代表材料的狀態(tài).金屬塑性綜述第6頁，共29頁。工程和真實應(yīng)力應(yīng)變 (續(xù)):用戶可以采用下列的近似方法來將工程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真實的應(yīng)力應(yīng)變值:達到屈服應(yīng)變的兩倍以前:達到頸縮以前:注意，下列假設(shè)僅針對應(yīng)力轉(zhuǎn)換:材料不可壓縮(為大應(yīng)變可接受的近似)

4、假設(shè)試件橫截面應(yīng)力為均勻分布.超過頸縮:在瓶頸處沒有工程和真實應(yīng)力應(yīng)變的轉(zhuǎn)換公式。 必須對截面進行測量.金屬塑性綜述第7頁，共29頁。 B. 屈服準則屈服準則:屈服準則試用來聯(lián)系多軸和單軸應(yīng)力狀態(tài).試件的拉伸試驗提供單軸數(shù)據(jù)，可以很容易的繪制一維應(yīng)力應(yīng)變曲線就像本節(jié)前面所提供的那樣.實際結(jié)構(gòu)一般是多軸應(yīng)力狀態(tài)。屈服準則提供材料應(yīng)力狀態(tài)的標量不變量，可以和單軸情況對比.第8頁，共29頁。一般而言，一個應(yīng)力狀態(tài)可以分為兩部分。靜水應(yīng)力 - 產(chǎn)生體積變化.偏應(yīng)力 - 產(chǎn)生角度扭轉(zhuǎn). 屈服準則應(yīng)力狀態(tài)(其中: s1 = s2 = s3) 靜水應(yīng)力 (p) 只引起體積變化偏移應(yīng)力只導致角度扭轉(zhuǎn)ps2s3

5、s1ps2 - pps1 - ps3 - p=+第9頁，共29頁。 屈服準則Von-Mises屈服準則預(yù)測屈服的出現(xiàn)，只要單位體積的扭轉(zhuǎn)能量等于同樣單軸應(yīng)力到達屈服強度體積的扭轉(zhuǎn)能量. 從這個理論出發(fā)，一個標量不變量 (von Mises equivalent stress) 表達如下:當 von Mises等效應(yīng)力超出了單軸材料屈服強度，總體的屈服會出現(xiàn).第10頁，共29頁。 . 屈服準則若在 3D 主應(yīng)力空間中畫出, von Mises 屈服面是一個圓柱面.s2s1s3s1 =s2 =s3圓柱體以s1=s2=s3 為軸排列.注意如果應(yīng)力狀態(tài)在圓柱體內(nèi)，不發(fā)生屈服。這意味著如果材料在靜水壓力

6、下 (s1=s2=s3)，再大的靜水壓力也不會引起屈服。從另一個角度看，偏離(s1=s2=s3) 軸的應(yīng)力參與計算 von Mises 應(yīng)力 s。第11頁，共29頁。 屈服準則在柱面（圓）邊緣，屈服會出現(xiàn). 沒有應(yīng)力狀態(tài)能夠存在于柱體之外. 然而，硬化準則會描述柱體關(guān)于屈服如何改變eElasticPlastic321sy 主應(yīng)力空間 單軸應(yīng)力-應(yīng)變第12頁，共29頁。 C. 強化準則強化準則描述初始屈服準則如何隨不斷發(fā)展的塑性應(yīng)變變化.強化準律描述在塑性流動過程中屈服面如何變化（大小，中心，形狀）.強化準則決定什么時候材料會隨加載或卸載再次屈服. 這與呈現(xiàn)無硬化 即屈服面保持固定的理想彈塑性材

7、料形成對比.彈性塑性加載后的屈服表面初始屈服表面第13頁，共29頁。有兩個基本強化規(guī)則描述了屈服面的改變:2初始屈服面1后續(xù)屈服面隨動強化.屈服面大小保持常數(shù)且向屈服方向傳遞.等向強化.屈服面隨塑性流動在各個方向均勻擴張.2初始屈服面1后續(xù)屈服面多數(shù)金屬材料對小應(yīng)變加載循環(huán)呈現(xiàn)隨動強化行為. 強化準則第14頁，共29頁。線性隨動強化的應(yīng)力-應(yīng)變行為描述如下:后續(xù)屈服壓縮減少量就是拉伸屈服應(yīng)力增加量，因此屈服點間2y 的差距總是會保持. (這就是著名的包辛格效應(yīng).)e2132sysys初始屈服面后續(xù)屈服面a 隨動強化第15頁，共29頁。一個初始等向強化的材料在屈服和經(jīng)歷隨動強化之后不再各向同性.

8、對于大應(yīng)變的模擬，由于包辛格效應(yīng)隨動強化模型不再合適。 隨動強化一般用于小應(yīng)變的循環(huán)加載. y2y 隨動強化第16頁，共29頁。等向強化指屈服面在塑性流動期間均勻擴張。 等向 一詞指屈服面的均勻擴張，不同于 各向同性 屈服準則 (即材料取向)e3212ssys初始屈服面后續(xù)屈服面 等向強化第17頁，共29頁。 等向強化繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線可以方便的了解在加載和反向加載過程中的變化:y2s注意在隨后的屈服壓縮中，最大應(yīng)力等于拉伸階段的最大應(yīng)力. 等向強化通常用于大應(yīng)變和比例加載分析。它通常不適用于循環(huán)載荷. 第18頁，共29頁。D. 材料數(shù)據(jù)輸入曲線形狀兩種不同的應(yīng)力應(yīng)變stress-strain曲

9、線表示:雙線性多線性第19頁，共29頁。必須提供線彈性材料屬性與線彈性靜力結(jié)構(gòu)分析相同，至少應(yīng)定義楊氏模量和泊松比.金屬塑性可以作為非線性材料模型定義. 這將在下面討論.其它非線性本構(gòu)模型可以通過 Command Objects添加只有 ANSYS Professional NLS及其以上licenses支持非線性材料. 材料數(shù)據(jù)輸入第20頁，共29頁。要添加金屬塑性, 首先到項目示圖區(qū)操作。高亮顯示Engineering Data，然后雙擊或點擊鼠標右鍵并點擊Edit .材料數(shù)據(jù)輸入第21頁，共29頁。打開Engineering Data對話框，添加并編輯各種和激活項目相關(guān)的材料屬性. 材料

10、數(shù)據(jù)輸入第22頁，共29頁。從工具箱, 打開 plasticity:加亮顯示金屬塑性模型 (下面例子中, 選擇了雙線性各向同性)在材料模型中點擊右鍵并點擊 “Include Property”雙線性等向強化模型將出現(xiàn)在屬性對話框.黃色空盒供用戶定義屈服強度和切向模量. 材料數(shù)據(jù)輸入第23頁，共29頁。定義屈服強度和切向模量后, 數(shù)據(jù)會自動圖形顯示供查看:. 材料數(shù)據(jù)輸入第24頁，共29頁。多線性等向或隨動強化模型也可以以相似的過程定義和校正 :. 材料數(shù)據(jù)輸入第25頁，共29頁。多線性等向或隨動強化模型也支持溫度相關(guān)的屬性. 材料數(shù)據(jù)輸入第26頁，共29頁。 Mechanical中塑性總結(jié)金屬塑性可處理彈性和非彈性 (永恒)變形.非彈性或塑性變形出現(xiàn)在應(yīng)力高于屈服強度的時候。卸載時總是會有可恢復(fù)應(yīng)變（彈性應(yīng)變）應(yīng)力-應(yīng)變曲線是基于單軸試驗標量數(shù)據(jù)。一個系統(tǒng)可能處于一個多軸應(yīng)力的狀態(tài)， 所以 Simulation 用 Mises 屈服準則使多軸應(yīng)力狀態(tài)和單軸的標量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。這種情況下，應(yīng)提供真實應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。在