ANSYS培训ppt课件.pptVIP

材料库及常用非线性材料模型 材料属性定义 定义材料性质时 首先给出弹性材料性质 EX PRXY等 然后给出非线性材料性质 EX 屈服点 T3 T2 T1 线弹性属性定义 各向同性材料 EX必须输入泊松比 PRXY或NUXY 默认为0 3GXY EX 2 1 NUXY 正交各向异性材料所有参数必须输入 EX EY EZ PRXY PRYZ PRXZ orNUXY NUYZ NUXZ GXY GYZ andGXZ 无默认值一般各向异性材料直接输入弹性 或柔度 矩阵 泊松比的意义 PRXY和NUXY的意义 区别 PRXY为主泊松比 指的是在单轴作用下 X方向的单位拉 或压 应变所引起的Y方向的压 或拉 应变 NUXY为次泊松比 它代表了与PRXY成正交方向的泊松比 指的是在单轴作用下 Y方向的单位拉 或压 应变所引起的X方向的压 或拉 应变 对于正交各向异性材料 需要根据材料数据的来源确定数据的输入方式 但是对于各向同性材料来说 选择PR 或NU 来输入泊松比是没有任何区别的 材料库的运用 ANSYS材料库 ansys90 matlib 用户自定义材料库 练习 非线性材料属性 弹塑性 多种屈服准则 Mises Hill 广义Hill Drucker Prager Mohr Coulomb 多种强化方式 随动 各向同性 混合双线性 多线性粘塑性 高温金属蠕变 数十种蠕变模型 显式 隐式 与弹塑性联合使用非线性弹性粘弹性 玻璃类 塑料类材料超弹性 各种橡胶类 泡沫类材料膨胀 核材料混凝土材料 弹性回顾 讨论塑性之前 先回顾一下金属的弹性 弹性响应中 如果产生的应力低于材料的屈服点 卸载时材料可完全恢复到原来的形状 从金属的观点看 这种行为是因为延伸但没有破坏原子间化学键 因为弹性是由于原子键的延伸 所以是完全可恢复的 而且这些弹性应变往往是小的 金属的弹性行为最常用虎克定律的应力应变关系描述 塑性回顾 塑性金属中也会遇到非弹性或塑性响应 超过屈服应力是塑性区域 塑性区域中卸载后残留一部分永久变形 如果考虑在分子层次上发生了什么 塑性变形是由于剪切应力 偏差应力 引起的原子平面间的滑移引起的 位错运动的实质是晶体结构中的原子重新排列得到新的相邻元素 从而导致不可恢复塑性应变 值得注意的是 与弹性不同 滑移不会引起任何体积应变 不可压缩条件 塑性回顾 续 因为塑性处理由于位移引起的能量损失 所以它是非保守 路径相关 过程 延性金属支持比弹性应变大得多的塑性应变 弹性变形实质上独立于塑性变形 因此产生的超过屈服点的应力仍产生弹性和塑性应变 因为假设塑性应变不可压缩 所以材料响应随着应变增加变为几乎不可压缩 率无关塑性 如果材料响应和载荷速率或变形速率无关 称材料为率无关 低温时 1 4或1 3的熔点温度 大多数材料呈现率无关行为和低应变速率 增量塑性理论给出一种描述应力增量和应变增量 Ds和De 的数学关系 用于表示塑性范围内的材料行为 在增量塑性理论中 有三个基本组成部分 屈服准则流动准则强化规律 屈服准则 屈服准则对于单向拉伸试件 通过比较轴向应力与材料屈服应力 可以确定是否屈服 然而 对于多向应力状态 有必要去定义一个屈服准则 屈服准则是应力状态的单值 标量 度量 可以很容易地与单轴试验的屈服应力相比较 因此如果知道应力状态和屈服准则 程序就能确定是否会发生塑性应变 范 米赛斯屈服准则 屈服准则 一个常用的屈服准则是范 米赛斯屈服准则 只要变形的内能 等效应力 超过一定值 就会发生屈服 范 米赛斯等效应力定义为 式中s1 s2和s3是主应力 当等效应力超过材料的屈服应力时 屈服发生 范 米赛斯屈服准则 若在3D主应力空间中画出 vonMises屈服面是一个圆柱体 圆柱体以s1 s2 s3为轴排列 注意如果应力状态在圆柱体内 不发生屈服 这意味着如果材料在静水压力下 s1 s2 s3 再大的静水压力也不会引起屈服 从另一个角度看 偏离 s1 s2 s3 轴的应力参与计算vonMises应力 s 范 米赛斯屈服准则 从轴s1 s2 s3的角度看 vonMises屈服准则如下所示 缺省时 所有的率无关塑性模型采用vonMises屈服准则 除非另外说明 双线性等向强化 BISO 多线性等向强化 MISO 非线性等向强化 NLISO 双线性随动强化 BKIN 多线性随动强化 KINH MKIN Chaboche非线性随动强化 CHAB Hill屈服准则 HILL 另一个有用的屈服准则是Hill准则 它是各向异性 vonMises是各向同性 Hill准则可看作是vonMises屈服准则的延伸 Hill准则可写为 六个常数 Rxx Ryy Rzz Rxy Ryz Rxz 表示Hill屈服准则的特性 Hill屈服准则 HILL Hill准则需要通过简单试验确定6个常数 前面的常数 Rxx Ryy Rzz Rxy Ryz Rxz 代表在给定方向的屈服应力与参照屈服应力 vonMises 的比率 对线弹性材料特性 可指定各向同性或正交各向异性特性 EX EY EZ等 Hill准则不描述强化 它仅描述屈服准则 Hill势与等向 随动和混合强化模型相结合 在这些模型中 vonMises用作 参照 屈服应力 Hill模型则用来确定六个方向的实际屈服应力值 广义Hill势 ANISO 广义Hill势与Hill势相似 区别如下 广义Hill供非均质材料用 拉伸和压缩屈服比率不同 直接输入不同方向的屈服应力 应力单位 不是屈服应力比率 无量纲 强化规律是双线性等向强化 已经内置于材料定义中 所以不用发出TB BISO命令 无需指定额外的强化准则 假设和温度无关 不支持18x单元 广义Hill势 ANISO 广义Hill势理论的屈服面可看作是在主应力空间内移动了的变形圆柱体 由于各向异性 不同方向屈服不同 所以圆柱屈服面变形 Hill准则 因为屈服在拉伸和压缩中可指定为不同 所以圆柱屈服面被初始移动 s2 s1 s3 s e s3 s3yt 主应力空间 单轴应力 应变 s3yc 强化规律 强化规律 强化规律描述初始屈服准则如何随不断发展的塑性应变变化 强化规律描述在塑性流动过程中屈服面如何变化 如果继续加载或者反向加载 强化规律确定材料何时将再次屈服 强化规律 强化规律 ANSYS所用的基本强化规律有两个 用于规定屈服面的修正 随动强化 屈服面大小保持不变 并沿屈服方向平移 等向强化 屈服面随塑性流动在所有方向均匀膨胀 对于小应变循环载荷 大多数材料显示出随动强化行为 强化规律 随动强化单轴试件随动强化的应力 应变行为是 注意压缩时的后继屈服减小量等于拉伸时屈服应力的增大量 因此这两种屈服应力间总能保持2sy的差值 这叫做Bauschinger效应 随动强化通常用于小应变 循环加载的情况 强化规律 随动强化 初始各向同性材料在屈服并经历随动强化后不再是各向同性 随动强化模型不适合于非常大的应变的模拟 强化规律 等向强化等向强化单轴试件应力 应变行为是 e s sy 2s s 注意压缩的后继屈服应力等于拉伸时的达到的最大应力 等向强化经常用于大应变或比例 非周期 加载的模拟 强化规律 曲线形状ANSYS塑性模型支持三种不同的曲线形状 双线性 多线性 非线性 ANSYS程序有许多塑性选项 允许将给定材料的强化规律 曲线形状和率相关等紧密地匹配起来 这些塑性选项在高级结构非线性培训手册中讨论 材料属性记住大应变塑性分析要求输入数据为真实应力 对数应变 而小应变分析可以用工程应力 应变数据 如果所提供的试验数据用工程应力 应变度量 那么在将它输入ANSYS进行大应变分析之前 必须转换为真实应力 对数应变数据 材料属性 然而 在小应变水平 工程应力 应变值与真实应力 对数应变值几乎恒等 因此 真实应力 对数应变数据可用于一般情况 如果所提供的实验数据用真实应力 对数应变计量 那么在输入ANSYS之前 即使对小应变分析也不需要转换为工程应力 应变 el ln 1 e strue s 1 e 材料属性 双线性随动强化 双线性随动强化 BKIN 用双线性的应力 应变曲线表示 包括弹性斜率和剪切模量 采用随动强化的Mises屈服准则 因此包括包辛格效应 该选项可以用于小应变和循环加载的情况 双线性随动强化所需的输入数据是弹性模量E 屈服应力sy和剪切模量ET 下面我们在ANSYS中来介绍材料定义的过程 材料属性 多线性随动强化 多线性随动强化有两个选项 MKIN 固定表 和KINH 通用 两种材料模型都用多线性的应力 应变曲线模拟随动强化效应 这些选项用Mises屈服准则 对金属的小应变塑性分析有效 MKIN和KINH都通过输入弹性模量和应力 应变数据点定义 弹性模量 E 的输入步骤与BKIN模型相同 多线性随动强化 固定表 MKIN MKIN选项用Besseling或底层模型 见ANSYS理论手册 MKIN选项最多允许五个应力 应变数据点 最多五条温度相关曲线 MKIN模型有如下附加限制 每一条应力 应变曲线必须用同一组应变值 曲线的第一个点必须和弹性模量一致不允许有大于弹性模量的斜率段 允许负斜率 但会导致收敛问题 对于应变值超过输入曲线终点的情况 假定为理想塑性材料行为 多线性随动强化 固定表 MKIN 输入非线性真实应力 对数应变数据 MKIN的应力 应变选项 随着温度的升高无应力松弛 缺省 用新的权重因子重新计算总塑性应变 比例缩放塑性应变以保持总塑性应变不变 符合Rice模型 推荐 多线性随动强化 通用 KINH KINH选项去掉了MKIN模型强加的一些限制 KINH与BOPT 2 Rice模型的MKIN有同样的力学行为 可以定义40条温度相关的应力 应变曲线 每一条曲线可以有20个数据点 不同温度的曲线必须有相同数量的点 然而不同曲线的应变值可以不同 假设不同应力 应变曲线上的对应点代表特定低层的温度相关的屈服行为 多线性随动强化 通用 KINH 定义KINH模型 在材料GUI中 双击Structural Nonlinear Inelastic KinematicHardening Multilinear General 续下页 多线性随动强化 通用 KINH 输入非线性真实应力 对数应变数据 可以定义五条温度相关曲线 点击添加应力 应变数据点 多线性随动强化 通用 KINH 预览所输入的材料属性 拾取对话框中的 Graph 注意 从材料模型界面生成的材料数据表曲线图的标题中有 preview 字样 多线性随动强化 通用 KINH 一旦定义了材料属性 画应力 应变曲线图的推荐步骤是 UtilityMenu Plot DataTables 显示材料标识号 单个数据点有标识 多线性随动强化 KINH 作为GUI的备用 同样的材料非线性属性可以通过如下的命令行输入来定义 PREP7MPTEMP 1 0MPDATA EX 1 16000000MPDATA PRXY 1 0 33TB KINH 1 1 8TBTEMP 0TBPT 0 000625 10000TBPT 0 0025 15000TBPT 0 005 21000TBPT 0 01 29000TBPT 0 015 32600TBPT 0 02 34700TBPT 0 04 36250TBPT 0 1 39000TBPLOT 材料属性 双线性等向强化 双线性等向强化 BISO 也用双线性的应力 应变曲线表示 采用等向强化的vonMises屈服准则 该选项通常用于金属塑性的大应变情况 建议不要将双线性等向强化用于循环加载 e sy ey s ET 双线性等向强化需要输入的值是弹性模量E 屈服应力sy和剪切模量ET 输入步骤与双线性随动强化模型相同 材料属性 多线性等向强化 多线性等向强化 MISO 也用多线性的应力 应变曲线表示 采用等向强化的Mises屈服准则 该选项通常用于比例加载和金属塑性的大应变情况 通过输入弹性模量和应力 应变数据点来定义多线性等向强化模型 输入步骤与KINH模型类似 多线性等向强化 MISO MISO选项最多允许100个应力 应变数据点及20条温度相关曲线 MISO模型有如下附加限制