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ANSYS中的材料可分为线性 特殊材料和非线性三类 而非线性材料模型包括弹性 超弹和多线性弹性 黏弹性和非弹性 非弹性材料模型中又包括率无关 率相关 非金属 铸铁 形状记忆合金等材料 率相关性 塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数 如果塑性应变的大小与时间无关 这种塑性叫作率无关性塑性 相反 与应变率有关的性叫作率相关的塑性 ANSYS材料非线性分析 1 塑性力学的基本法则通常可通过试验得到单轴应力状态下的材料行为 如材料的应力应变曲线及其典型特征 但当处于复杂应力状态时 就需要将单轴应力状态的概念推广 这就需要增量理论的基本法则 塑性力学的基本法则为屈服准则 也称屈服条件或法则 流动法则 强化准则 或法则 1 屈服准则 屈服准则规定材料开始塑性变形的应力状态 它是应力状态的单值度量 标量 以便与单轴状态比较 ANSYS主要使用Von Mises屈服准则和Hill屈服准则 Mises屈服准则 也称八面体剪应力或变形能准则 可写为 式中 为等效应力 为屈服应力 计算公式如下 Mises屈服准则用于各向同性材料 ANSYS缺省时 所有的率无关模型均采用Mises屈曲准则 如双线性等向强化 BISO 多线性等向强化 MISO 线性等向强化 NLISO 双线性随动强化 BKIN 多线性随动强化 KINH和MKIN 和Chaboche非线性随动强化 CHAB 等 Hill屈服准则可用于各向异性材料 可看作是Mises屈服准则的延伸 Hill屈服准则用Mises屈服准则作为 参考 屈服准则 即用Hill模型确定六个方向的实际屈服应力 在使用时需要输入六个参数 以便确定屈服比率 但是 由于Hill不描述强化准则 故必须和等向强化 随动强化或混合强化模型相结合 在定义强化准则时输入的屈服应力分别乘以六个参数 即为各方向的实际屈服应力 2 流动法则 流动法则定义塑性应变增量的分量和应力分量及应力增量分量之间的关系 它描述屈服时塑性应变的方向 当塑性流动方向与屈服面的外法线方向相同时称为关联流动法则 如金属和其他呈现不可压缩非弹性行为的材料 当塑性流动方向和屈服面法线不同时称为非关联流动法则 如摩擦材料或DP材料 剪切角和内摩擦角不同时 ANSYS缺省时 所有的率无关模型均采用关联流动法则 也称Mises流动法则或法向流动法则 3 强化准则 在单向应力状态下 如钢的应力应变曲线有弹性阶段 屈服阶段 强化阶段和破坏阶段等 若在强化阶段卸载并再次加载时其屈服应力会提高 而在复杂应力状态时 就需要强化准则定义材料进入塑性变形后的后继屈服面的变化 包括大小 中心和形状 即在随后的加载或卸载时 材料何时再次进入屈服状态 对于理想的弹塑性材料 因无应力强化效应 其后继屈服面和初始屈服面相同 对于硬化材料 通常有等向强化 随动强化和混合强化准则 等向强化规定在材料进人塑性变形后 后继屈服面在各方向均匀地向外扩张 其形状 中心和在应力空间的方位均保持不变 意味着由于硬化引起的拉伸屈服强度的增加会导致压缩屈服强度有同等的增加 故也称各向同性强化准则 等向强化适用于大应变 单调加载情况 不适于循环加载的情况 等向强化又分为线性等向强化和非线性等向强化 如双线性等向强化BISO和多线性等向强化MISO及非线性等向强化NLISO 随动强化规定材料进入塑性变形后 后继屈服面在应力空间作刚体移动 而其形状 大小和方位均保持不变 随动强化意味着屈服后最初的各向同性塑性行为不再各向同性 弹性范围等于2倍的初始屈服应力 也即由于拉伸屈服强度增加而使压缩屈服强度相应减小 称为包辛格效应 Bauschinger 随动强化适用于小应变 循环加载的情况 同样也有分为线性随动强化和非线性随动强化 如双线性随动强化BKIN和多线性随动强化MKIN 以及Chaboche非线性随动强化CHAB 混合强化同时考虑等向强化和随动强化 适用于大应变和循环加载的情况 可模拟棘轮 安定 循环强化或软化等问题 如CHAB和xISO结合时 便可得到混合强化模型 塑性选项 ANSYS程序提供了多种塑性材料选项 在此主要介绍四种典型的材料选项可以通过激活一个数据表来选择这些选项 经典双线性随动强化BKIN双线性等向强化BISO多线性随动强化MKIN多线性等向强化MISO 经典的双线性随动强化 BKIN 使用一个双线性来表示应力应变曲线 所以有两个斜率 弹性斜率和塑性斜率 由于随动强化的Vonmises屈服准则被使用 所以包含有鲍辛格效应 此选项适用于遵守VonMises屈服准则 初始为各向同性材料的小应变问题 这包括大多数的金属 需要输入的常数是屈服应力和切向斜率 可以定义高达六条不同温度下的曲线 注意 使用MP命令来定义弹性模量弹性模量也可以是与温度相关的切向斜率不可以是负数 也不能大于弹性模量在使用经典的双线性随动强化时 可以分下面三步来定义材料特性 1 定义弹性模量2 激活双线性随动强化选项3 使用数据表来定义非线性特性 双线性等向强化 BIS0 也是使用双线性来表示应力 应变曲线 在此选项中 等向强化的VonMises屈服准则被使用 这个选项一般用于初始各向同性材料的大应变问题 需要输入的常数与BKIN选项相同 多线性随动强化 MKIN 使用多线性来表示应力 应变曲线 模拟随动强化效应 这个选项使用VonMises屈服准则 对使用双线性选项 BKIN 不能足够表示应力 应变曲线的小应变分析是有用的 需要的输入包括最多五个应力 应变数据点 用数据表输入 可以定义五条不同温度下的曲线 在使用多线性随动强化时 可以使用与BKIN相同的步骤来定义材料特性 所不同的是在数据表中输入的常数不同 下面是一个用命令流定义多线性随动强化的标准输入 MPTEMP 20 100MPDATA EX 3 30E8 25E8TB MKIN 3TBTEMP STRAINTBDATA 0 01 0 05 0 1TBTEMP 20TBDATA 300E6 370E6 380E6TBTEMP 100TBDATA 250E6 310E6 330E6 多线性等向强化 MISO 使用多线性来表示使用VonMises屈服准则的等向强化的应力 应变曲线 它适用于比例加载的情况和大应变分析 需要输入最多100个应力 应变曲线 最多可以定义20条不同温度下的曲线 其材料特性的定义步骤如下 1 定义弹性模量2 定义MISO数据表3 为输入的应力 应变数据指定温度值4 输入应力 应变数据5 画材料的应力 应变曲线与MKIN数据表不同的是 MISO的数据表对不同的温度可以有不同的应变值 因此 每条温度曲线有它自己的输入表 目前用ANSYS对预应力钢筋混凝土梁结构的有限元分析模型主要有3种 分离式 整体式 组合式 分离式模型把混凝土和钢筋各自划分为足够小的单元 若钢筋和混凝土之间黏结很好 两者之间不会发生相对滑移 则两者之间可视为刚性联结 这时也可不用联结单元 这种模型在分析钢筋和混凝土之间相互作用的微观机理方面有突出优势 ANSYS单元库中用于模拟混凝土的单元为SOLID65单元 SOLID65单元主要用于模拟三维混凝土和预应力混凝土单元 其实体模型具有拉裂 压碎 塑性变形及徐变 单元生死等性能 SOLID65单元具有八个节点 每个节点有X Y Z三个自由度方向 同时还可对三个方向的含筋情况进行定义 SOLID65单元可以使用的本构关系有等强向硬化模型 随动硬化模型和Drucker Prager模型 D P模型 在任一应力水平情况下 弹塑性应变增量和应力增量之间的关系近似地表示为线性关系 D 钢筋一般采用双线性理想弹塑性模型 当不输入本构关系时 在混凝土开裂和压碎前 ANSYS采用缺省的