第23例-材料蠕变分析实例

材料蠕变分析的第23个例子拉伸板该实例简要介绍了蠕变的概念和蠕变材料模型的建立方法，并简要介绍了结构蠕变分析的方法、步骤和要点。23.1蠕变介绍蠕变是指金属材料在恒温恒载荷下长时间持续缓慢的塑性变形。大多数金属材料在高温下会表现出蠕变行为。如果材料发生蠕变，结构将在恒定载荷下继续变形。如果结构承受恒定的位移，应力将随时间降低，即应力松弛将发生。图23-1蠕变曲线蠕变一般分为三个阶段：第一阶段、第二阶段和第三阶段，如图23-1所示。初始蠕变阶段非常短，应变率随时间降低。在蠕变稳定阶段，应变以恒定的速率发展。在蠕变加速阶段，应变率急剧增加，直到材料失效。蠕变行为的研究主要针对初始蠕变阶段和蠕变稳定阶段。研究问题时，蠕变方程(也称为本构关系)通常用于表征蠕变行为。蠕变方程表示为蠕变应变率，形式为dcr/dt=ABCtP，cr为蠕变应变。a、b、c、d是从实验中获得的材料特性参数。当D0时，蠕变应变率随时间降低，材料处于初始蠕变阶段。当D=0时，蠕变应变率不随时间变化，材料处于蠕变稳定阶段。在ANSYS中，有一个蠕变应变率库可供选择。23.2问题描述左端固定、右端压力为p=100兆帕的矩形板。矩形板的尺寸如图23-2所示。材料的弹性模量为2105兆帕，泊松比为0.3，蠕变稳定阶段的蠕变方程dcr/dt=C1C2。C2，C1=3.125 x10-14，C2=5。试着分析板块右端的位移随时间的变化。提示：为了避免小数值，力的单位是n，长度单位是mm，时间单位是h图23-2拉伸矩形板23.3分析步骤23.3.1任务名称的变更选择菜单“实用菜单文件更改作业名称”，弹出如图23-3所示的对话框，在“/FJLMAN文本框中输入范例23，点击“确定”按钮。图23-3更改任务名称对话框23.3.2选择单元类型拿起菜单main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete，弹出如图23-4所示的对话框。点击“添加”按钮，弹出如图23-5所示的对话框，在左侧列表中选择“结构实体”。在右侧列表中选择“四节点182”，点击“确定”按钮，最后点击对话框中的“关闭”按钮，如图23-4所示。图23-4设备类型对话框图23-5单元类型库对话框23.3.3定义材料模型拿起菜单主菜单预处理器材料道具材料模型，弹出如图23-6所示的对话框。在右侧列表中，依次选择“结构”、“线性”、“弹性”和“各向同性”，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)，然后单击“确定”按钮。然后在对话框右侧的列表中选择“结构”、“非线性”、“非弹性”、“速率相关”、“蠕变”，如图23-6所示。“仅爬行”。“米塞斯潜力”，“隐含”，“10:诺顿”，弹出如图23-8所示的对话框。在“C1”、“C2”和“C3”文本框中分别输入3.125E-14、5和0，点击“确定”按钮，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材料属性对话框图26-8蠕变属性对话框23.3.4创建矩形面拿起菜单主菜单预处理器建模创建区域矩形按尺寸弹出对话框，如图23-9所示。在“X1，X2”文本框中输入0，100，在“Y1，Y2”文本框中输入0，30，然后单击“确定”按钮。图26-9创建矩形面对话框23.3.5单位的划分选择菜单主菜单预处理器网格网格工具，弹出如图23-10所示的对话框。单击“尺寸控制”区域中“线”后面的“设置”按钮，弹出拾取窗口，拾取矩形表面的长边。点击“确定”按钮，弹出如图23-11所示的对话框。在“NDIV”文本框中输入10，然后单击“应用”按钮。拾取窗口将再次弹出，拾取矩形表面的短边，点击“确定”按钮，弹出如图23-11所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入3，点击“确定”按钮。在如图23-10所示的对话框的“网格”区域，选择单元的形状为“四边形”，选择单元的划分方式为“映射”，点击“网格”按钮，弹出拾取窗口，拾取表面，点击“确定”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单位尺寸对话框23.3.6约束拾取菜单主菜单-解决方案定义载荷应用结构位移在线，弹出拾取窗口，拾取矩形表面左侧的短边，点击“确定”按钮，弹出如图23-12所示的对话框，选择列表中的“所有自由度”，点击“确定”按钮。图23-12在线上应用约束的对话框23.3.7装载拿起菜单主菜单求解定义载荷施加结构压力在线，弹出拿起窗口，拿起矩形面右侧的短边，点击“确定”按钮，弹出如图23-13所示的对话框，在“值”文本框中输入-100，点击“确定”按钮。图23-13在线施加压力载荷对话框23.3.8指定分析选项拿起菜单main menusolutionloadstepoptsTIME/frequencyTIME和substps，弹出如图23-14所示的对话框，在“TIME”文本框中输入le-6，在“delete timestepsize”文本框中输入le-6。在“删除最小时间步长”文本框中输入le-6，在“删除最大时间步长”文本框中输入le-6，然后单击“确定”按钮。提示：如果界面上没有显示菜单项，您可以选择菜单“主菜单解决方案完整菜单”来显示主菜单解决方案下的所有菜单项。图23-14分析选项对话框23.3.9解决方案选择菜单主菜单解决方案解决方案当前步骤，点击“解决当前步骤”对话框中的“确定”按钮。当“解决方案完成”时当出现提示时，解决方案就完成了，并且可以查看结果。23.3.10激活蠕变分析拿起菜单主菜单解决方案加载步长选择非线性 strnRATEeffect，弹出如图23-15所示的对话框，选择“速率”为开，点击“确定”。图23-15爬行选项对话框23.3.11指定分析选项选择菜单主菜单解决方案加载步骤选项时间/频率时间和时间步骤，弹出如图23-14所示的对话框。在“时间”文本框中输入1000，在“DELTIM时间步长大小”文本框中输入100。在“DELTIM最小时间步长”文本框中输入1，在“DELTIM最大时间步长”文本框中输入100，然后单击“确定”按钮。23.3.12解决方案选择菜单主菜单解决方案解决方案当前步骤，点击“解决当前步骤”对话框中的“确定”按钮。当“解决方案完成”时当出现提示时，解决方案就完成了，并且可以查看结果。23.3.13检查结果，并用等高线显示冯米塞斯应力。拿起菜单主菜单常规后处理绘图结果等高线绘图节点菜单，弹出如图23-16所示的对话框。在列表中选择“无解决方案应力冯米塞斯应力”(即冯米塞斯等效应力)，然后单击“确定”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板的应力23.3.14定义变量拿起菜单主菜单时间历史过场定义变量，弹出如图23-18所示的对话框，点击“添加”按钮，弹出如图23-19所示的对话框，选择“变量类型”作为“节点自由度结果”，点击“确定”按钮，弹出拾取窗口。拿起右上角的节点，点击“确定”按钮，弹出如图23-20所示的对话框，在左侧列表中选择“自由度解”，在右侧列表中选择“平移UX”，点击“确定”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显示变量拿起菜单main menutime histopost prograph variables，弹出如图23-21所示的对话框。在“NVAR 1”文本框中输入2，然后单击“确定”按钮。结果如图23-22所示。图23-21显示了变量对话框图23-22板右端节点位移曲线超弹性分析的第24个例子缓冲该实例简要介绍了超弹性材料的特点，并通过实例介绍了超弹性材料模型的建立方法和分析过程中的要点。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，它们的弹性行为不同于金属，具有以下特征：(1)超弹性材料能够承受大的弹性变形；(2)许多超弹性材料几乎不可压缩，泊松比接近0.5；(3)应力应变曲线高度非线性。24 . 1 . 2 ANSYS中的超弹性材料选项对于超级炸弹分析，必须使用具有超级炸弹能力的单元类型。超级炸弹选项由TB和HYPER命令解释。基于材料各向同性和不可压缩性的假设，在ANSYS中定义了超弹性材料模型。超弹性材料的本构关系用应变能密度函数来描述。当选择不同的应变能密度函数时，所用的材料常数也不同。材料常数可以直接输入，也可以通过拟合试验数据获得。您可以使用由ANSYS提供的超弹性材料模型或对其进行定制。在ANSYS提供的各种超弹性材料模型中，常用的有穆尼-里夫林不可压缩橡胶模型和布拉茨-柯橡胶非线性弹性模型。双参数穆尼-里夫林超弹性材料模型的应变能密度函数为W=C10I1-3 C01I2-3 1d(J-1)2其中I1和I2应变不变量C10，C 01茂尼-里夫林常数D常数可由C10、C01和泊松比确定W应变能密度函数24.2问题描述外半径为20毫米、内半径为15毫米的钢球以2米/秒的速度落在带有5毫米厚橡胶垫的地面上。已知橡胶材料采用双参数穆尼-里夫林超弹性材料模型，泊松比为0.499，穆尼-里夫林常数Cl0和C01分别为2兆帕和0.5兆帕。试着分析钢球的影响。24.3分析步骤24.3.1任务名称的变更选择菜单“实用菜单文件更改作业名称”，弹出如图24-1所示的对话框，在“/FILNAM”文本框中输入范例24，点击“确定”按钮。图24-1更改任务名称对话框24.3.2选择单元类型点击菜单主菜单预处理程序元素类型添加/编辑/删除，弹出如图24-2所示的对话框。单击“添加.”按钮弹出如图24-3所示的对话框。在左侧列表中选择“结构实体”，在右侧列表中选择“四边形4节点182”，然后单击“应用”按钮。在左侧列表中选择“联系人”，在右侧列表中选择“第二冲浪171”，点击“应用”按钮：在左侧列表中选择“联系人”，在右侧列表中选择“2D目标169”，点击“确定”按钮。图24-2设备类型对话框图24-3单元类型库对话框返回如图24-2所示的对话框，在列表中选择“类型1平面182”，点击“选项”按钮弹出如图24-4所示的对话框，选择“K3”为“轴对称”，点击“确定”按钮，最后点击对话框中的“关闭”按钮，如图24-2所示。图24-4设备选项对话框24.3.3定义材料模型拿起菜单主菜单预处理器材料道具材