Workbench仿真塑性材料拉伸力学实验

2017-04-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

在结构有限元分析中很多情况只需要考虑材料的线弹性阶段。但有时设计人员希望能充分发挥材料的极限性能,就需要考虑材料的屈服和强化阶段。本实例利用有限元仿真分析方法模拟材料力学性能实验,针对塑性材料力学性能有限元仿真有一定的参考意义,希望能帮到大家。

【温故知新】

大家可还记得材料力学中的力学性能测试试验?忘了的朋友赶紧脑补去…

复习好了哇?直接上实验结果...似曾相识?J

塑性材料应力应变曲线

注:在ANSYS有限元程序中默认比例极限等于屈服极限。

几何模型与网格

试样最小截面直径10mm。网格划分如下(网格粗糙,演示用)。

材料参数

杨氏模量2E11 Pa,泊松比0.325,屈服极限350Mpa,强度极限516Mpa。塑性阶段采用Multilinear Kinematic hardening(多线性随动强化模型)材料本构关系模型,用列表形式输入应力与塑性应变。材料参数设置截图如下。

在实际工程项目中为得到较为准确的材料属性,可用电子拉力机对小试件做力学性能试验来确定的。通过试验可以得到上述材料应力应变曲线图。注意试验得到的是总应变,而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain,所以还需将试验所得的总应变减去对应的弹性应变(即屈服点之后的每一个试验点的总应变减去这个点对应的弹性应变,其中弹性应变=应力/弹性模量,这里不考虑其他因素影响近似认为总应变=弹性应变+塑性应变)

边界条件

一端完全约束,一段加载轴向拉力40000N。

分析步设置

每一步分析都能计算出一个应力和应变,因此可以根据绘图的精度来确定载荷步的多少。但要遵循一个原则:线弹性阶段不宜设置过多载荷步,因为线弹性阶段应力应变是线性变化的,计算出较多的数据点也没有多大意义。一般线性阶段设置3~4个载荷步,能起到验证线性变化即可;屈服阶段载荷步设置可依据应力应变曲线设置多一些载荷步,但要综合考虑计算机的性能和计算时间。 Ps:我10G内存,处理器频率还不到3GHz的本本,算57个数据点需要10分钟左右。

分析步设置如下图:

先输入Number of step即一共打算设置的载荷步,然后修改Current Step Number对每一个载荷步进行子步设置。一般默认子步设置为Auto time stepping—program controlled,该选项会增加子步数量,如果计算机性能较低可以关掉Auto time stepping(值为OFF),选择默认子步数量1。

载荷步设置

如果拉力过小会出现试件根本拉不到屈服阶段,如果过大则会导致应力范围超过之前设定的范围,而出现计算出错。这里可用理论公式计算最大拉力=100mm^2*516Mpa=51600N。考虑应力集中因素适当降低最大拉力至40000N。试算下40000N载荷对应最大应力为510Mpa和强度极限相比比较接近但并没超过,能模拟出大部分的屈服阶段,故选40000N是合适的。

试算可以知道25000N左右可以达到屈服极限。40000N左右可以达到强度极限。那0-25000N为线弹性阶段这里设置了3步载荷,250000-40000N为屈服阶段设置了7步载荷。(本例后面9步载荷都为自动时间步长,应力应变数据点一个57个)