第23例 材料蠕变分析实例.doc

第23例 材料蠕变分析实例受拉平板本例简单地介绍了蠕变的概念及蠕变材料模型的创建方法，简单地介绍了结构蠕变分析的方法、步骤及要点。23.1蠕变简介蠕变是指金属材料在长时间的恒温、恒载作用下，持续发生缓慢塑性变形的行为，大多数金属材料在高温下都会表现出蠕变行为。如果材料发生了蠕变，在恒载作用下结构会发生持续变形；如果结构承受恒位移，则应力会随时间而减小，即产生应力松弛。图23-1 蠕变曲线蠕变一般分为蠕变初始阶段（Primary）、蠕变稳定阶段（Secondary）和蠕变加速阶段(Tertiary)三个阶段，如图23-1所示。蠕变初始阶段时间很短，应变率随时间而减小；在蠕变稳定阶段，应变以常速率发展；在蠕变加速阶段，应变率急剧增大直至材料失效。研究蠕变行为，主要针对蠕变初始阶段和蠕变稳定阶段。研究问题时一般以蠕变方程（又称本构关系）来表征蠕变行为，蠕变方程以蠕应变率的，形式表示dcr/dt =ABCtP式中，cr为蠕应变。A、B、C、D是由实验得到的材料特性参数。当D0时，蠕应变率随时间减小，材料处于蠕变初始阶段；当D=0时，蠕应变率不随时间变化，材料处于蠕变稳定阶段。 在ANSYS中，有一个蠕应变率库供选择。23.2问题描述 一矩形平板，左端固定，右端作用有恒定压力p=100MPa，矩形平板尺寸如图23-2所示，材料的弹性模量为2xl05MPa，泊松比为0.3，蠕变稳定阶段蠕变方程dcr/dt =C1C2。C2，式中，C1=3.125 x10-14，C2=5。试分析平板右端的位移随时间的变化情况。提示：为避免出现较小值，力单位用N，长度单位用mm，时间单位为h。图23-2受拉矩形平板23.3分析步骤23.3.1改变任务名 拾取菜单Utility MenuFileChange Jobname，弹出如图23-3所示的对话框，在“/FJLNAM”文本框中输入EXAMPLE23，单击“OK”按钮。 图23-3改变任务名对话框23.3.2选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/EditDelete，弹出如图23-4所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图23-5所示的对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”。在右侧列表中选“Quad 4 node 182”，单击“OK”按钮，最后单击如图23-4所示对话框中的“Close”按钮。图23-4单元类型对话框图23-5单元类型库对话框23.3.3定义材料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图23-6所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图23-7所示的对话框，在“EX”文本框中输入2e5（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮；再在如图23-6所示对话框的右侧列表中依次拾取Structural, Nonlinear, Inelastic, Rate Dependent, Creep, Creep only. “Mises Potential”、“Implicit”、“10：Norton(Secondary)”，弹出如图23-8所示的对话框，在“C1”、“C2”、，“C3”文本框中分别输入3.125E-14、5、0，单击“OK”按钮，然后关闭如图23-6所示的对话框图23-6材料模型对话框图26-7材料特性对话框图26-8蠕变特性对话框23.3.4创建矩形面拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimension，弹出如图23-9所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入0，100，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，30，单击“OK”按钮。图26-9创建矩形面对话框23.3.5划分单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出如图23-10所示的对话框，单击“Size Controls”区域中“Lines”后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，拾取矩形面的长边，单击“OK”按钮，弹出如图23-11所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入10，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取矩形面的短边，单击“OK”按钮，弹出如图23-11所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入3，单击“OK”按钮。在如图23-10所示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面，单击“OK”按钮，最后关闭如图23-10所示的对话框。图23-10网格工具对话框图23-11单元尺寸对话框23.3.6施加约束 拾取菜单Main Menu-SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines，弹出拾取窗口，拾取矩形面的左侧短边，单击“OK”按钮，弹出如图23-12所示的对话框，在列表中选择“All DOF ，单击“OK”按钮。图23-12 在线上施加约束对话框23.3.7施加载荷拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines，弹出拾取窗口，拾取矩形面的右侧短边，单击“OK”按钮，弹出如图23-13所示的对话框，在 VALUE”文本框中输入-100，单击“OK”按钮。图23-13在线上施加压力载荷对话框23.3.8指定分析选项 拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps,弹出如图23-14所示的对话框，在“TIME”文本框中输入le-6，在“DELTIM Time step size”文本框中输入le-6，在“DELTIM Minimum time step size”文本框中输入le-6，在“DELTIM Maximum time step size”文本框中输入le-6，单击“OK”按钮。 提示：如果该菜单项未显示在界面上， 可以拾取菜单Main MenuSolutionUnabridged Menu，以显示Main MenuSolution下的所有菜单项。图23-14分析选项对话框23.3.9求解拾取菜单Main MenuSolutionSolve Current LS，单击“Solve Current Load Step对话框中的“OK”按钮。当出现“Solution is done!”提示时，求解结束， 即可查看结果。23.3.10激活蠕变分析拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearStrn Rate Effect,弹出如图23-15所示的对话框，选择“RATE”为On，单击“OK”按钮。图23-15蠕变选项对话框23.3.11指定分析选项拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime and Time step，弹出如图23-14所示的对话框，在“TIME”文本框中输入1000，在“DELTIM time step SiZe，size”文本框中输入100，在“DELTIM Minimum time step size”文本框中输入1，在“DELTIM Maximum time step size”文本框中输入100，单击“OK”按钮。23.3.12求解拾取菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS，单击“Solve Current Load Step对话框中的“OK”按钮。当出现“Solution is done !”提示时，求解结束，即可查看结果。23.3.13 查看结果，用等高线显示von Mises应力拾取菜单Main MenuGeneral PostprorPlot ResultsContour PlotNodal Solu，弹出如图23-16所示的对话框，在列表中依次选择“Nodal SolutionStress von Mises Stress”（即von Mises等效应力），单击“OK”按钮，结果如图23-17所示。图23-16用等高线显示节点结果对话框图23-17平板的应力23.3.14定义变量拾取菜单Main MenuTimeHist PostproDefine Variables，弹出如图23-18所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图23-19所示的对话框，选择“Type of variable”为Nodal DOF result”，单击“OK”按钮，弹出拾取窗口，拾取右上角节点，单击OK”按钮，弹出如图23-20所示的对话框，在左侧列表中选择“DOF Solution”，在右侧列表中选择“Translation UX”，单击“OK”按钮，最后关闭如图23-18所示的对话框。图23-18定义变量对话框图23-19变量类型对话框图23-20选择数据类型对话框23.3.15显示变量拾取菜单Main MenuTimeHist PostproGraph Variables，弹出如图23-21所示的对话框，在“NVAR 1”文本框中输入2，单击“OK”按钮，结果如图23-22所示。图23-21显示变量对话框图23-22平板右端节点的位移曲线第24例 超弹分析实例-缓冲垫本例简单介绍了超弹性材料的特点，通过实例介绍了建立超弹性材料模型的方法及分析过程中的要点。24.1概述24.1.1超弹性材料 超弹性材料包括天然橡胶和合成橡胶，其弹性行为不同于金属，有以下特点:(1)超弹性材料可以承受大弹性变形；(2)许多超弹性材料几乎不可压缩，泊松比接近于0.5;(3)应力应变曲线具有高度的非线性。24.1.2 ANSYS中的超弹性材料选项进行超弹分析时必须使用具有超弹能力的单元类型，超弹选项用TB，HYPER命令进行说明。ANSYS中的超弹性材料模型是基于材料各向同性和不可压缩的假设来进行定义的。超弹材料的本构关系用应变能密度函数描述。选择不同的应变能密度函数，使用的材料常数也不同。材料常数可以直接输入，也可以使用试验数据拟合得到。可以使用ANSYS提供的超弹性材料模型，也可以自定义。在ANSYS提供的各种超弹性材料的模型中，常用的有Mooney-Rivlin不可压缩橡胶模型和Blatz-Ko橡胶非线性弹性模型。2参数Mooney-Rivlin超弹材料模型的应变能密度函数为W=C10I1-3+C01I2-3+1d(J-1)2式中I1、I2应变不变量C10、C01Mooney-Rivlin常数d常数，可由C10、C01及泊松比确定W应变能密度函数24.2 问题描述一外半径为20mm、内半径为15mm的钢球，以2m/s的速度掉落在铺有厚度为5mm的橡胶垫的地面上，已知橡胶材料采用2参数Mooney-Rivlin超弹材料模型，泊松比为0.499，Mooney-Rivlin常数Cl0、C01分别为2MPa和0.5 MPa。试分析钢球的冲击情况。24.3分析步骤24.3.1改变任务名拾取菜单Utility MenuFileChange Jobname，弹出如图24-1所示的对话框，在“/FILNAM”文本框中输入EXAMPLE24，单击“OK”按钮。图24-1改变任务名对话框24.3.2选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出如图24-2所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图24-3所示的对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”，在右侧列表中选“Quad 4node 182”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选“2 nd surf 171”，单击“Apply”按钮：再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选“2D target 169”，单击“OK”按钮。图24-2单元类型对话框图24-3单元类型库对话框 返回到如图24-2所示的对话框，在列表中选择“Type 1 PLANE182”， 单击“Options”按钮，弹出如图24-4所示的对话框，选择“K3”为“Axisymmetric”（轴对称），单击“OK”按钮，最后单击如图24-2所示对话框中的，的“Close”按钮。图24-4单元选项对话框24.3.3定义材料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图24-5所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图24-6所示的对话框，在“PRXY”文本框中输入0.499（泊松比），单击“OK”按钮。再在如图24-5所示对话框的右侧列表中依次拾取“Structural”、“Nonlinear”、”elastic”、”Hyperelastic” 、“Mooney-Rivlin”、“2 Parameters”，弹出如图24-7所示的对话框，在“C10”文本框中输入2e6，在“C01”文本框中输入5e5，单击“OK”按钮。再在如图24-5所示对话框表中依次拾取“Structural”、“Density”，弹出如图24-8所示的对话框，在“DENS”文本框中输入2200 (密度)，单击“OK”按钮。图24-5材料模型对话框 单击如图24-5所示对话框的菜单项MaterialNew Model，单击所弹出的“Define Material ID 对话框中的“OK 按钮，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图24-6所示的对话框，在“EX”文本框中输入“2e11”（弹性模量），在PRXY”文本框中输入“0.3”（泊松比），单击“OK”按钮。再在如图24-5所示对话框的右侧列表中依次拾取“Structural”、“Density”，弹出如图24-8所示的对话框，在“DENS”文本框中输入7800（密度），单击“OK”按钮。然后关闭如图24-5所示的对话框。图24-6材料特性对话框一图24-7材料特性对话框二图24-8材料特性对话框三24.3.4定义实常数拾取菜单Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete，弹出如图24-9所示对话框，单击“Add”按钮，弹出如图24-10所示对话框，在列表中选择“Type 2CONTA171”，单击“OK”按钮，弹出如图24-11所示的对话框，在“FKN”文本框中输入1（法向接触刚度因子），单击“OK”按钮；返回到如图24-9所示对话框，单击“Close”按钮。图24-9实常数对话框图24-10选择单元类型对话框24.3.5创建矩形面拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimension，弹出如图24-12所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入0，0.1，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，-0.005，单击“OK”按钮。图24-11实常数对话框24.3.6创建圓形面拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasCirclePartial Annulus,弹出如图24-13所示的对话框，在“WP X”文本框中输入0，在“WP Y”文本框中输入0.025，在“Rad-1”文本框中输入0.015，在“Theta-l”文本框中输入-90，在“Rad-2”文本框中输入0.02，在“Theta-2”文本框：中输入90，单击“OK”按钮。图24-12创建矩形面对话框图24-13创建圆形面对话框24.3.7划分单元 拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出如图24-14所示的对话框，选择“Element Attributes”下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择矩形面1，单击“OK”按按钮，弹出如图24-15所示的对话框，选择“MAT”下拉列表框为1，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，选择圆形面2，单击OK”按钮，选择如图24-15所示对话框中的“MAT”下拉列表框为2，单击“OK”按钮。单击如图24-14所示对话框“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图24-16所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入o.ool，单击“OK”按钮。在如图24-14所示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取所有面，单击“OK”按钮，最后单击如图24-14所示对话框中的“Close”按钮。图24-14 单元工具对话框图24-15单元属性对话框图24-16单元尺寸对话框24.3.8显示线号拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering，在所弹出的对话框中，将Line numbers（线号）打开，单击“OK”按钮。24.3.9显示线 拾取菜单Utility MenuPlotLines。24.3.10 选择矩形面上接触线及线上的节点拾取菜单Utility MenuSelectEntities，弹出如图24-17所示的对话框，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Lines”、“By Num/Pick”、“From Full”，单击-“Apply”按钮，弹出拾取窗口，拾取线3，单击“OK”按钮；再在如图24-17所示的对话中，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入Nodes”、“Attached to”、“Lines, all”、“From ALL”，单击“OK”按钮。于是选中了线3及线上的所有节点。24.3.11指定单元属性拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsElem Attributes,弹出如图24-18所示的对话框，选择下拉列表框TYPE”为“2 CONTA171”，单击“OK”按钮。图24-17选择实体对话框图24-18单元属性对话框24.3.12 创建接触单元拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateElementsSurf/Contact Surf to Surf，单击所弹出对话框中的“OK”按钮，然后单击随后弹出的拾取窗口中的“Pick All”按钮。24.3.13 选择所有拾取菜单Utility MenuSelectEverything。重复步骤24.3.10-24.3.13，选择圆形面上接触线5及线上的节点，选择单元类型 TYPE”为3 TARGE169，创建目标单元。24.3.14指定分析类型拾取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，弹出如图24-19所示的对话框，选择“Type of analysis”为“Transient “， 单击“OK”按钮，在随后弹出的“Transient Analysis”对话框中，单击“OK按钮。图24-19指定分析类型对话框24.3.15施加约束 拾取菜单 Main MenuSolutionDefine LoadsApply StructuralDisplacementOn Lines，弹出拾取窗口，拾取线2，单击“OK” 按钮，弹出如图24-20所示的对话框，在“Lab2”列表框中进择“UX”，单击“Apply”按钮。再次弹出拾取窗口，拾取线1，单击“OK”按钮，弹出如图24-20所示的对话框，在“Lab2”列表框中选择“UY”，单击OK”按钮。图24-20施加约束对话框24.3.16 施加重力加速度 拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal，弹出如图24-21所示的对话框，在“ACELY”文本框中输入9.8，单击OK”按钮。图24-21施加重力加速度对话框24.3.17选择圓形面上及面上的节点拾取菜单Utility MenuSelectEntities，弹出如图24-17所示的对话框，在各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Areas”、“By Num/Pick”、“From Full”，单击“Apply”按钮，弹出拾取窗口，拾取圆形面，单击“OK”按钮；再在如图24-17所示对话框中的各下拉列表框、文本框、单选按钮中依次选择或输入“Nodes”、Attached to”、“Areas, all”、“From Full”，单击“OK按钮。24.3.18在所选择的节点上施加初速度拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyInitial ConditnDefine，弹出拾取窗口，单击Pick All”按钮，弹出如图24-22所示的对话框，选择下拉列表框“Lab”为“UY”，在“VALUE2”文本框中输入2，单击“OK”按钮。图24-22施加初始速度对话框24.3.19 选择所有拾取菜单Utility MenuSelectEverything。24.3.20 确定载荷步时间和时间步长拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime - Time Step,弹如图24-23所示的对话框，在“TIME”文本框中输入0，005，在“DELTIM Time step size”文本框中输入le-4，选择“KBC”为“Stepped”，选择“AUTOTS”为“ON”，在“DELTIM Minimum time step size”文本框中输入2e-5，在“DELTIM Maximum time step size”文本框中输入2e-4，单击“OK”按钮。提示：如果该菜单项未显示在界面上，可以拾取菜单Main MenuSolutionUnabridged Menu，以显示Main MenuSolution下的所有菜单项。图24-23确定载荷步时间和时间步长对话框24.3.21打开大变形选项拾取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls，弹出如图24-24所示的对话框，选择“Analysis Options”为“Large Displacement Transient”，单击“OK”按钮。图2424求解控制对话框24.3.22激活线性搜索拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearLine Search，在所弹出的如图24-25