ansys高级非线性分析五粘弹性.pptx

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1、粘塑性粘塑性A.粘塑性背景粘塑性背景与前述的率无关塑性相反,率相关塑性与应变速率或时间有关。从材料的观点看,粘塑性 和蠕变是相同的。通常,对工程用途,蠕变用于描述在恒载荷下应变的变化。通常当温度达到材料熔点的30-60%时,蠕变变形就很重要，而且,时间更长，蠕变和塑性应变解耦。ANSYS 中,Perzyna 和 Peirce 模型(TB,RATE)意味着高应变率(即冲击)载荷状态，非弹性应变是不解耦的。Anand 模型与 ANSYS 蠕变法则类似,主要区别是使用了一个内部变量，变形抗力,来表示对非弹性材料流动的各向同性抗力。第2页/共34页第1页/共34页粘塑性粘塑性.粘塑性理论的背景粘塑性理

2、论的背景ANSYS中率相关塑性模型的总结:1“RATE”包括Peirce 和 Perzyna 模型。2 对隐式蠕变,温度相关的材料常数可用3 核心单元=PLANE42,SOLID45,PLANE82,SOLID92,SOLID95 18x 单元=LINK180,SHELL181,PLANE182-183,SOLID185-187,BEAM188-189第3页/共34页第2页/共34页粘塑性粘塑性.粘塑性理论的背景粘塑性理论的背景前一章讨论了ANSYS的显式和隐式蠕变选项。本章将关注 ANSYS 中后两种粘塑性选项 Peirce 和 Perzyna(TB,RATE)与 Anand 模型(TB,A

3、NAND)。第4页/共34页第3页/共34页粘塑性粘塑性B.RATE 粘塑性选项粘塑性选项ANSYS有一般的率相关塑性模型，被简单地表示为“RATE”,定义应力-应变关系为一个速率公式:基于附加的应变速率分量:基于粘塑性流动规律,等效非弹性应变可以写为:式中f 为屈服函数,g为粘塑性参数。第5页/共34页第4页/共34页粘塑性粘塑性.RATE 粘塑性选项粘塑性选项Perzyna 和 Peirce 模型的推导:Perzyna 模型模型Peirce 模型模型第6页/共34页第5页/共34页粘塑性粘塑性.RATE 粘塑性选项粘塑性选项从前面幻灯片可以看到 RATE 粘塑性模型将等效有效应力和材料的静

4、态屈服应力相联系。应变率强化应力比率(TB,RATE)静态屈服应力(TB,BISO/MISO/NLISO)等效有效应力Perzyna 模型模型Peirce 模型模型正则化应变率012345应力比率0123PERZYNAPEIRCE第7页/共34页第6页/共34页粘塑性粘塑性.RATE 粘塑性选项粘塑性选项这意味着应力比率作为应变率的函数而改变。下面是一个应变率在1e-2 和 1e-3 之间变动的模型例子，注意屈服应力是如何变化的。用用 Perzyna 模型的例子模型的例子第8页/共34页第7页/共34页粘塑性粘塑性.RATE 粘塑性选项粘塑性选项关于RATE模型的一些假设:RATE 模型需要一

5、个率无关本构模型来定义静态屈服应力。粘塑性响应可以看作是在静态屈服应力上的一个乘子以得到一个有效应力。率无关模型可以是 BISO,MISO或 NLISO，各向异性可以由 HILL指定。由非线性应变计算响应:塑性和粘塑性应变是耦合的。因此,RATE 公式对于在类似时间尺度-高应变速率应用中(例如冲击载荷)的两种机理,都是合适的。率无关和率相关应变是不可分的，输出的总的非弹性应变将是塑性应变(EPPL)。为了包括热效应,所有的材料常数都可与温度相关。第9页/共34页第8页/共34页粘塑性粘塑性.RATE 粘塑性选项粘塑性选项关于RATE模型应注意的几点:当 g or 0 时,求解收敛到率无关解，当

6、 m 0 时,Peirce收敛为1x 静态解,而 Perzyna 收敛为2x 静态解。当m=1/n 很小(Nonlinear Inelastic Rate Dependent Visco-Plasticity Isotropic Hardening Plasticity记住首先定义线弹性材料记住首先定义线弹性材料(EX 和和 PRXY)。否则否则,当定义粘塑性时当定义粘塑性时,材料材料GUI将提示该信息。将提示该信息。第12页/共34页第11页/共34页粘塑性粘塑性.定义定义 RATE 材料特性材料特性本例中选择了双线性等向强化的各向异性粘塑性。在弹出菜单中选择RATE模型(Perzyna 或

7、 Peirce)输入RATE常数(指数m和粘度g)第13页/共34页第12页/共34页粘塑性粘塑性.定义定义 RATE 材料特性材料特性当输入RATE常数后,会出现率无关塑性参数对话框。该例中,输入双线性等向强化模型(BISO)的值,即屈服应力和剪切模量。第14页/共34页第13页/共34页粘塑性粘塑性.定义定义 RATE 材料特性材料特性最后,需要输入HILL参数来指定各向异性。下面对话框中需要输入6个应力比率。第15页/共34页第14页/共34页粘塑性粘塑性.定义定义 RATE 材料特性材料特性可以使用的粘塑性和塑性的各种组合见下表:注意,根据选项,需要不同类型的弹性、塑性和粘塑性的输入项

8、。所有输入的数据也可与温度相关。第16页/共34页第15页/共34页粘塑性粘塑性.练习练习请参考附加练习题:练习 8:Perzyna 率相关塑性第17页/共34页第16页/共34页粘塑性粘塑性C.ANAND 粘塑性选项粘塑性选项Anand 提出的率相关塑性选项有如下特征:与率无关模型不同,没有明显屈服面,没有使用加载/卸载准则(即没有Bauschinger 效应)。假设在所有非零应力值处发生塑性流动,虽然在低应力处塑性流动可以忽略。Anand模型使用一个称作变形抗力(以“s”表示)的内部标量变量来表示对材料非弹性流动的各向同性抗力，以 NL,PSV(塑性状态变量)输出，假设材料温度大于其熔点温

9、度的一半。非弹性应变的输出为“塑性应变(EPPL)”。注意不可用累加等效塑性应变(NL,EPEQ)。第18页/共34页第17页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND 粘塑性选项粘塑性选项Anand 模型最初用于高温金属成型过程,例如轧制和深拉。Anand,L.,“Constitutive Equations for Hot-Working”,International Journal of Plasticity,Vol.1,pp.213-231(1985).Brown,S.B.,Kim,K.H.和 Anand,L.,“An Internal Variable Constitutive Model

10、for Hot Working of Metals”,International Journal of Plasticity,Vol.5,pp.95-130(1989).然而,一些企业也将该本构模型用于其他过程,例如电子器件钎焊接头的分析。Darveaux,R.,“Solder Joint Fatigue Life Model,”Proceedings of TMS Annual Meeting,pp.213-218(1997).Darveaux,R.,“Effect of Simulation Methodology on Solder Joint Crack Growth Correlat

11、ions,”Proceedings of 50th Electronic Components&Technology Conference,pp.1048-1058(2000).第19页/共34页第18页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND 粘塑性选项粘塑性选项粘塑性的 Anand 模型:流动方程可写为:在这一点上,比较 Anand 模型和广义 Garofalo(双曲正弦)蠕变方程是有用的:式中 双曲正弦蠕变方程和 Anand 模型的主要区别是演化方程 变形抗力(s),下面解释第20页/共34页第19页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND 粘塑性选项粘塑性选项演化方程(应变强化/软化)为:式中第2

12、1页/共34页第20页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND 粘塑性选项粘塑性选项附加项被定义为材料常数:所有常数必须为正的。第22页/共34页第21页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND 材料定义材料定义前面幻灯片所示的 Anand 模型的9个材料常数可以通过命令或材料 GUI 定义(如下所示):通过 TB,ANAND 定义 Anand 模型。用 TBDATA 定义9个材料常数。因为 Anand 方程中包括了温度效应,所以不允许使用与温度有关的常数。记住通过 MP 命令定义EX 和 PRXY(和任何其它必要的线性材料属性)。第23页/共34页第22页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND 材料定义材料

13、定义通过材料 GUI 定义 Anand 模型的屏幕快照。Structural Nonlinear Inelastic Rate-Dependent Viscoplasticity Anands Model第24页/共34页第23页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND 材料定义材料定义通过不同温度和应变率下的一系列等温应力-应变拉伸试验的曲线拟合来确定Anand模型的材料参数，把实验数据转换为材料常数的详细论述可以参考以下资料:Anand,L.,“Constitutive Equations for Hot-Working,”International Journal of Plasticity,

14、Vol.1,pp.213-231(1985).Brown,S.B.,Kim,K.H.和 Anand,L.,“An Internal Variable Constitutive Model for Hot Working of Metals,”International Journal of Plasticity,Vol.5,pp.95-130(1989).第25页/共34页第24页/共34页粘塑性粘塑性.ANAND支持的单元支持的单元仅有三种单元类型支持Anand模型:VISCO106-108VISCO106-108 是基于惩罚的混合 U-P 单元(参考本书第2章)。VISCO106 是低阶2

15、D单元。VISCO107 是低阶3D单元。VISCO108 是高阶2D单元。没有壳或梁单元。而且,VISCO106 和 108 仅限于平面应变或轴对称分析。第26页/共34页第25页/共34页粘塑性粘塑性D.求解粘塑性问题求解粘塑性问题定义了合适的单元类型和材料性能后,求解选项与大多数非线性问题相似Main Menu Solution -Analysis Type-Soln Control Solution Controls -Basic Tab-Analysis Options若需要,打开大位移效应(NLGEOM,ON)来指定大位移/大应变求解。尽管“时间”在粘塑性问题中很重要,求解仍可以是

16、静态或瞬态的，这将不包括或包括惯性效应。推荐采用求解控制(SOLCONTROL),缺省时求解控制是打开的。第27页/共34页第26页/共34页粘塑性粘塑性.求解粘塑性问题求解粘塑性问题采用粘塑性材料的非线性求解需要一个结束时间和指定的合适的子步数。Solution Controls -Basic Tab-Time Control定义合适的结束时间(TIME)。记住,对于有粘塑性的非线性静态分析,时间对应变率效应 很重要。定义合适的子步数 (NSUBST)或时间 增量(DELTIM)，以获得精确的结果 (见下面幻灯片)。第28页/共34页第27页/共34页粘塑性粘塑性.求解粘塑性问题求解粘塑性问

17、题确保塑性应变增量足够小以捕捉响应,这对任何路径相关问题都是重要的。Solution Controls -Nonlinear Tab-Cutback Control后退控制(CUTCONTROL)用于指定允许的塑性应变增量的最大值。缺省时,该值为15%。前已述及前已述及,对于对于RATE 和和 ANAND,所有的非弹性应变以所有的非弹性应变以“塑性应变塑性应变”输输出。与蠕变中塑性和蠕变应变被分开出。与蠕变中塑性和蠕变应变被分开不同不同,RATE 和和ANAND的非弹性应的非弹性应变被耦合。变被耦合。第29页/共34页第28页/共34页粘塑性粘塑性.查看粘塑性结果查看粘塑性结果 能照常查看结果

18、,如塑性应变。Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu Main Menu General Postproc Plot Results Element Solu 非弹性应变以塑性应变(EPPL)输出。注意在6.0 版本中,不再 需要Eff Nu。实体、平面 和壳单元的等效应变被计 算并储存。第30页/共34页第29页/共34页粘塑性粘塑性.查看粘塑性结果查看粘塑性结果塑性应变能密度也被输出，每个单元的结果都能被画图或列表。Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu Main M

19、enu General Postproc Plot Results Element Solu 第31页/共34页第30页/共34页粘塑性粘塑性.查看查看ANAND 的结果的结果当查看采用 Anand模型 的问题的结果时,请记住以下几点:虽然等效塑性应变和其分量是可用的,但累加的等效塑性应变不可用(NL,EPEQ)。变形抗力(s)可通过 NL,PSV(塑性状态变量)输出。单位体积塑性功可以通过 NL,PLWK 输出。采用单元表,乘以体积(VOLU)得到塑性功。第32页/共34页第31页/共34页粘塑性粘塑性进一步阅读的参考进一步阅读的参考关于 RATE 粘塑性的一些参考资料:1.Perzyna,

20、P.,“Fundamental Problem in Viscoplasticity,”Advances in Applied Mechanics,Vol.9,Academic Press,New York,pp.313-377(1968).2.Pierce,D.,Shih,C.F.和 Needleman,A.,“A Tangent Modulus Method for Rate Dependent Solids,”Computers&Structures,Vol.33,pp.799-815(1984).关于 ANAND 粘塑性的参考资料:1.Anand,L.,“Constitutive Eq

21、uations for Hot-Working”,International Journal of Plasticity,Vol.1,pp.213-231(1985).2.Brown,S.B.,Kim,K.H.和 Anand,L.,“An Internal Variable Constitutive Model for Hot Working of Metals,”International Journal of Plasticity,Vol.5,pp.95-130(1989).第33页/共34页第32页/共34页粘塑性粘塑性.练习练习请参考附加练习题:练习 9:Anand 模型(肋的锻造)第34页/共34页第33页/共34页September 30,2001Inventory#0014915-34感谢您的观赏！第34页/共34页