公开培训optis材料非线性

1、OptiStruct材料非线性材料非线性技术支持热线：4006-196-186技术支持邮箱： 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.弹塑性材料超弹性材料非线性弹簧内容提纲内容提纲 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.OptiStruct弹塑性材料弹塑性材料 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Co

2、nfidential. All rights reserved. OA段应力应变呈线性比例 BC段材料进入塑性 从C点开始应变硬化 D点达到最大，试件颈缩 D点后载荷随着应变增大而减小 E点试件断裂材料单轴试验材料单轴试验Necking PointoABCDE 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料试验示意图材料试验示意图初始时刻原子位于平衡位置原子键被拉伸，但去除外力后可回复原子沿滑移带滑移，去除外力后不可恢复原子沿滑移带继续滑移，原子重新排列颈缩产生，原子沿不同的滑

3、移面滑移，变形加快原子键断裂，试件断裂 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料试验动画材料试验动画 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料试验结果材料试验结果 屈服应力：如果存在明显的线性转非线性点，取转折点位屈服应力 屈服应力：如果不存在明显的线性转非线性点，取0.2%的应变位置为屈服点UTS：最大应力点，颈缩开始点杨氏模量：线性段斜率 201

4、8 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料试验结果材料试验结果试件断裂时的总应变试件断裂时的塑性应变弹性功塑性功 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.不同材料的试验曲线不同材料的试验曲线钢材拉伸曲线有色金属（铜、铝）拉伸曲线 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rig

5、hts reserved. 在金属塑性加工过程中正向加载引起的塑性应变强化导致金属材料在随后的反向加载过程中呈现塑性应变软化（屈服极限降低）的现象。这一现象是包辛格(JBauschinger)于1886年在金属材料的力学性能实验中发现的。当将金属材料先拉伸到塑性变形阶段后卸载至零，再反向加载，即进行压缩变形时，材料的压缩屈服极限(s)比原始态（即未经预先拉伸塑性变形而直接进行压缩）的屈服极限(s)明显要低（指绝对值）。若先进行压缩使材料发生塑性变形，卸载至零后再拉伸时，材料的拉伸屈服极限同样是降低的。弹塑性材料弹塑性材料Bauschinger效应效应 2018 Altair Engineeri

6、ng, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.试验曲线到仿真曲线的转换试验曲线到仿真曲线的转换 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料曲线到仿真曲线的转换Necking Point. Data Only valid till this point !And now.Generation of Material Data for Simulation.1. Generate engineering S

7、tress-Strain-Curve 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料曲线到仿真曲线的转换1. Generate engineering Stress-Strain-Curve2. Generate true Stress-Strain-Curve001 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料曲线到仿真曲线的转换1. Generate en

8、gineering Stress-Strain-Curve2. Generate true Stress-Strain-Curve3. Generate plastic True-Stress-Strain-Curve (subtract elastic the part of the curve) 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.材料曲线到仿真曲线的转换1. Generate engineering Stress-Strain-Curve2. Generate tr

9、ue Stress-Strain-Curve3. Generate plastic True-Stress-Strain-Curve (subtract elastic the part of the curve)4. When necessary extrapolate Material Data to 100 % 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 单轴应力应变曲线 在弹性范围内，应力应变保持线性关系 超出初始屈服点，应力随应变非线性增加 卸载条件下，应力随应变线性

10、变化 应力为零时存在一定的残余应变，即塑性应变材料弹塑性曲线的理论近似材料弹塑性曲线的理论近似plijelijij 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 屈服准则 Mises 屈服准则 流动准则 流动准则假定塑性势函数与屈服函数一致，塑性变形增量方向总是沿塑性势法线方向 硬化准则 各向同性硬化 随动硬化 混合硬化弹塑性理论模型三要素弹塑性理论模型三要素 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential.

11、All rights reserved. 应力状态在屈服面之内为弹性状态 应力状态在屈服面上为塑性状态 应力不会落在屈服面之外Mises屈服准则屈服准则 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 各向同性硬化 屈服半径变大，屈服中心不变 随动硬化 屈服半径不变，屈服中心移动 混合硬化 屈服半径及屈服中心都在变化硬化准则硬化准则各向同性硬化随动硬化 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All r

12、ights reserved.材料的弹塑性响应材料的弹塑性响应 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. MATS1 TID，通过TABLES1 定义应力vs.塑性应变曲线 TYPE=PLASTIC，弹塑性材料 H，线性硬化刚度，理想塑性H=0.0 YF，屈服准则，Mises屈服准则 HR，硬化准则，各向同性硬化/随动硬化/混合硬化 LIMIT1，初始屈服点 TYPSTRN，曲线类型，横轴为全应变或塑性应变OptiStruct弹塑性材料定义弹塑性材料定义(1)(2)(3)(4

13、)(5)(6)(7)(8)(9)(10)MATS1MIDTIDTYPEHYFHRLIMIT1TYPSTRN 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 通过材料曲线定义弹塑性材料 建议采用应力vs.塑性应变曲线 TID 材料曲线 TYPE=PLASTIC，默认值 YF=1，默认值，Mises屈服准则 HR=1/2/3/real，如果不涉及到循环加载，该值不影响最终结果 TYPSTRN=1，应力vs.塑性应变曲线OptiStruct弹塑性材料两种定义方法弹塑性材料两种定义方法 -

14、 1(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)MATS1MIDTIDTYPEHYFHRLIMIT1TYPSTRN 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 通过硬化斜率定义弹塑性材料 H 硬化斜率 TYPE=PLASTIC，默认值 YF=1，默认值，Mises屈服准则 HR=1/2/3/real，如果不涉及到循环加载，该值不影响最终结果 LIMIT1 初始屈服点OptiStruct弹塑性材料两种定义方法弹塑性材料两种定义方法 - 2(1)(2)(3)(4)

15、(5)(6)(7)(8)(9)(10)MATS1MIDTIDTYPEHYFHRLIMIT1TYPSTRN 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. TABLES1创建 Utility -TABLE create MATS1创建 MATS1是MAT1卡片的扩展 MAT1卡片定义弹性属性 MATS1定义塑性塑性OptiStruct弹塑性材料定义弹塑性材料定义 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. A

16、ll rights reserved. 等效塑性应变 只要有应变输出要求（STRAIN=ALL），都会输出等效塑性应变 塑性应变分量 STRAIN（PLASTIC）=YES弹塑性分析结果输出弹塑性分析结果输出 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 采用SOLID单元模拟一根杆在循环载荷下的塑性变形 材料初始屈服点为800MPa，正向加载到1000MPa，然后反向加载到1000MPa，最后加载到1200MPa 材料为各向同性硬化弹塑性示例弹塑性示例 2018 Altair

17、Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. OA段加载达到初始屈服点，无塑性应变 AB段继续加载，出现塑性应变，进入塑性硬化阶段弹塑性示例弹塑性示例OA段AB段 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. BC段卸载并反向加载至屈服点，塑性应变没有增加 CD段反向屈服硬化，塑性应变抵消，但是等效塑性应变增加弹塑性示例弹塑性示例BC段CD段 2018 Altair Engineering

18、, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.弹塑性示例弹塑性示例 B点的塑性应变分量大于D点的塑性应变分量，这是应为反向压缩导致D点的塑性应变减小，但是D点的等效塑性应变要大于B点的等效塑性应变，这是因为等效塑性应变是一个累积量。AB段CD段 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 模型文件001_elasto_plastic_ori.fem 练习内容 设置弹塑性材料 创建载荷步 提交计算 查看弹塑性应变

19、练习练习 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.OptiStruct超弹性材料超弹性材料 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 超弹性材料实质是一种非线性弹性材料，在较大的变形下也保持弹性特性，在卸除载荷后可完全恢复到初始状态，其代表材料为橡胶、泡沫 超弹性材料一般为不可压或近似不可压缩材料超弹性材料超弹性材料 2018 Altair Engineer

20、ing, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 超弹性材料应力应变关系通过应变能密度函数来描述S ： 第二类 Piola_Kirchhoff 应力张量E ：格林应变张量U ：应变能密度C ：右Cauchy-Green变形张量在实际应用中应变能密度一般采用体积应变及主方向上的伸长率来描述超弹性材料的应力应变关系超弹性材料的应力应变关系CCUEEUS)(2)( 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 伸长

21、率为变形后的长度除以变形前的长度伸长率伸长率engundeformeddeformedLL1 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 体积应变为变形后的体积除以变形前的体积 对于不可压缩超弹性材料，J=1体积应变体积应变undeformeddeformedJJJ 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 应变能密度函数一般通过3个不变量来描述，其中3个不变

22、量又可用3个主方向的伸长率来表示应变能密度函数应变能密度函数)(),(),(321CICICIUU 2232221321232322222122322211JIII 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.应变能密度函数应变能密度函数 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 单轴拉伸 双轴拉伸 纯剪确定超弹性材料参数的简单实验确定超弹性材料参数的简单实验

23、2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. MOONEY超弹性模型 简单载荷下的应力应变关系超弹性材料模型超弹性材料模型1 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. Neo-Hooken超弹性模型 简单应力状态下的应力应变关系超弹性材料模型超弹性材料模型 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confide

24、ntial. All rights reserved. MooneyRivlin超弹性材料模型 在简单应力状态下的应力应变关系超弹性材料模型超弹性材料模型 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. Yeoh超弹性材料模型 简单应力状态下的应力应变关系超弹性材料模型超弹性材料模型 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. Ogden超弹性材料模型 简单应力状态

25、下的应力应变关系超弹性材料模型超弹性材料模型 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. MATHE可通过两种方式定义超弹性材料 直接输入简单载荷下的实验曲线，TAB1单轴拉伸，TAB2等双轴拉伸，TAB4纯剪，TABD体积应变下的压力曲线，OptiStruct会自动拟合多项式参数进行求解。 直接输入多项式的各个参数 MATHE可考虑各向同性热变形 MATHE的体积模量通过NU或Di 计算，两者只需要定义一个即可 如果两者都没有定义，NU默认为 0.495，两者都定义，NU起作

26、用OptiStruct超弹性材料定义超弹性材料定义 - MATHE 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 通过多项式系数直接定义 通过实验曲线直接定义MATHE定义定义 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 超弹性材料仅适用用实体单元 PLSOLID/PSOLID皆可引用MATHE，两者结果相同超弹性单元属性定义超弹性单元属性定义 (1)(2)(3)

27、(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PLSOLIDPIDMID PIDPLSOLID IDMID超弹性材料超弹性材料ID 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 在提供实验曲线时，也可显式指定某些系数为0MATHE定义定义 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 在不具备所有4种实验曲线的情况下，也可用可获得的实验参数拟合多项式系数，该情况下推荐

28、使用Yeoh模型MATHE定义定义 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 单轴拉伸超弹性模型数值实验结果对比超弹性模型数值实验结果对比 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 双轴拉伸超弹性模型数值实验结果对比超弹性模型数值实验结果对比 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential

29、. All rights reserved. 纯剪超弹性模型数值实验结果对比超弹性模型数值实验结果对比 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved.Neo-Hookean 在小变形下，同实验拟合结果很好 无法模拟后期大变形的刚度陡升段Mooney-Rivlin 在应变小于100%时，可得到合理的结果 无法模拟后期大变形的刚度陡升段Yeoh (N=3) 在很大的变形范围内都可得到合理的结果 能模拟后期刚度急剧上升段 很少的实验数据就可得到合理的数值结果，如只有单轴拉伸试验结果Ogd

30、en (N) 建议N取3 可在较大的变形范围内得到较高精度的数值结果 能模拟后期刚度急剧上升 在实验数据不足的情况下不建议使用，如只有单轴拉伸实验结果超弹性模型比较超弹性模型比较 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. 模型文件 002_rubber.fem 练习内容 添加超弹性材料 添加PSOLID/PLSOLID属性 为橡胶赋材料、属性 创建非线性工况 提交计算查看结果练习练习 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and

31、Confidential. All rights reserved.OptiStruct非线性弹簧非线性弹簧 2018 Altair Engineering, Inc. Proprietary and Confidential. All rights reserved. CBUSH1D+PBUSH1D 可分别定义受拉、受压刚度曲线 如果只定义了受拉或受压刚度曲线，默认拉、压曲线对称OptiStruct非线性弹簧非线性弹簧K线弹性刚度线弹性刚度B线性粘滞阻尼系数线性粘滞阻尼系数M弹簧质量弹簧质量SPRING刚度定义行标志刚度定义行标志TYPE非线性刚度曲线定义方式，采用方程非线性刚度曲线定义方式，采用方程EQUAT或离散点曲线（或离散点曲线（TABLE）IDT受拉力位移曲线定义受拉力位移曲线定义IDC受压力位移曲线定义