ANSYS弹塑性分析简介与实例详解

塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力-应变关系是线性的。另外,大多数材料在应力低于屈服点时,表现为弹性行为,也就是说,当移走载荷时,其应变也完全消失。

由于屈服点和比例极限相差很小,因此在ANSYS程序中,假定它们相同。在应力一应变的曲线中,低于屈服点的叫作弹性部分,超过屈服点的叫作塑性部分,也叫作应变强化部分。塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。

即然塑性是不可恢复的,那么这种问题的就与加载历史有关,这类非线性问题叫作与路径相关的或非保守的非线性。

路径相关性是指对一种给定的边界条件,可能有多个正确的解—内部的应力,应变分布—存在,为了得到真正正确的结果,我们必须按照系统真正经历的加载过程加载。

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有关,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。

大多的材料都有某种程度上的率相关性,但在大多数静 力分 析所经历的应变率范围,两者的应力-应变曲线差别不大,所以在一般的分析中,我们变为是与率无关的。

塑性材料的数据一般以拉伸的应力—应变曲线形式给出。材料数据可能是工程应力与工程应变,也可能是真实应力与真实应变。大应变的塑性分析一般采用真实的应力,应变数据而小应变分析一般采用工程的应力、应变数据。

当材料中的应力超过屈服点时,塑性被激活(也就是说,有塑性应变发生)。而屈服应力本身可能是下列某个参数的函数。

• 温度

• 应变率

• 以前的应变历史

• 侧限压力

• 其它参数

在这一章中,我们将依次介绍塑性的三个主要方面:

• 屈服准则

• 流动准则

• 强化准则

对单向受拉试件,我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生,然而,对于一般的应力状态,是否到达屈服点并不是明显的。

屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此,知道了应力状态和屈服准则,程序就能确定是否有塑性应变产生。

屈服准则的值有时候也叫作等效应力,一个通用的屈服准则是Von Mises 屈服准则,当等效应力超过材料的屈服应力时,将会发生塑性变形。

可以在主应力空间中画出Mises屈服准则,见图2-1。

图2.1 主应力示意图

流动准则描述了发生屈服时,塑性应变的方向,也就是说,流动准则定义了单个塑性应变分量随着屈服是怎样发展的。

一般来说,流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则中推导出来的。这种流动准则叫作相关流动准则,如果不用其它的流动准则(从其它不同的函数推导出来)。则叫作不相关的流动准则。

强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。一般来说,屈服面的变化是以前应变历史的函数,在ANSYS程序中,使用了两种强化准则。

等向强化是指屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张。对Mises屈服准则来说,屈服面在所有方向均匀扩张。见图2-2。

图2.2 等向强化时的屈服面变化图 图2.3 随动强化时的屈服面变化图

由于等向强化,在受压方向的屈服应力等于受拉过程中所达到的最高应力。

随动强化假定屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移 动,当某个方向的屈服应力升高时,其相反方向的屈服应力应该降低。见图2-3。

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Von Mises 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Von Mises 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。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。

(a) 定义弹性模量

(b) 激活双线性随动强化选项

(c) 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Von Mises 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Von Mises 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。

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。

多线性等向强化(MISO)使用多线性来表示使用Von Mises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,最多可定义20条不同温度下的曲线。其材料特性的定义步骤如下:

(a) 定义弹性模量

(b) 定义MISO数据表

(c) 为输入的应力-应变数据指定温度值

(d) 输入应力-应变数据

(e) 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。

(1) 使用的子步数(使用的时间步长),既然塑性是一种与路径相关的非线性,因此需要使用许多载荷增量来加载;

(2) 激活自动时间步长;

(3) 如果在分析所经历的应变范围内,应力-应变曲线是光滑的,使用预测器选项,这能够极大的降低塑性分析中的总体迭代数。

下面的这些原则应该有助于可执行一个精确的塑性分析

(1) 所需要的塑性材料常数必须能够足以描述所经历的应力或应变范围内的材料特性。

(2) 缓慢加载,应该保证在一个时间步内,最大的塑性应变增量小于5%,一 般 来说,如果Fy是系统刚开始屈服时的载荷,那么在塑性范围内的载荷增量应近似为:

• Ÿ 0.05×Fy-对用面力或集中力加载的情况

• Ÿ Fy-对用位移加载的情况

(3) 当模拟类似梁或壳的几何体时,必须有足够的网格密度,为了能够足够的模拟弯曲反应,在厚度方向必须至少有二个单元。

(4) 除非那个区域的单元足够大,应该避免应力奇异,由于建模而导致的应力奇异有:

• 单点加载或单点约束

• 凹角

• 模型之间采用单点连接

• 单点耦合或接触条件

(5) 如果模型的大部分区域都保持在弹性区内,那么可以采用下列方法来降低计算时间:

• 在弹性区内仅仅使用线性材料特性

• 在线性部分使用子结构

如果不收敛是由于数值计算导致的,可以采用下述方法来加强问题的收敛性:

(1) 使用小的时间步长。

(2) 如果自适应下降因子是关闭的,打开它,相反,如果它是打开的 ,且割线刚度正在被连续地使用,那么关闭它。

(3) 使用线性搜索,特别是当大变形或大应变被激活时。

(4) 预测器选项有助于加速缓慢收敛问题,但也可能使其它的问题变得不稳定。

(5) 可以将缺省的牛顿-拉普森选项转换成修正的(MODI)或初始刚度(INIT)牛顿-拉普森选项,这两个选项比全牛顿-拉普森选项更稳定(需要更的迭代),但这两个选项仅在小挠度和小应变塑性分析中有效。

(1) 感兴趣的输出项(例如应力,变形,支反力等等)对加载历史的响应应该是光滑的,一个不光滑的曲线可能表明使用了太大的时间步长或太粗的网格。

(2) 每个时间步长内的塑性应变增量应该小于5%。

(3) 塑性应变等值线应该是光滑的,通过任一单元的梯度不应该太大。

(4) 画出某点的应力—应变图,应力是指输出量SEQV(Mises 等效应力),总应变由累加的塑性应变EPEQ和弹性应变得来。

在这个实例分析中,我们将进行一个矩形简支梁的弹塑性分析。

矩形简支梁两端简支,上面收到8MPa的均布压力,分析在此工况下的简支梁的变形及应力。分析时采用2D单元进行简化模拟。

(1)创建静力学分析,并设置分析类型为2D分析。

图5.1 创建分析流程

(2)设置材料属性,设置弹性模量为2e11Pa,泊松比为0.3,设置塑性行为,选择塑性为双线性等向强化模型,设置屈服强度为380MPa,切线模量为0,也就是理想的弹塑性模型材料。

图5.2 材料设置

(3)划分网格:采用四边形为主网格划分方式,取合适的网格密度。

(4)施加简支约束及载荷。

图5.3 施加边界条件

(5)计算求解:打开大变形开个,打开自动时间步,调整最小子步数等。

(6)结果后处理:查看等效应力及等效应变。

图5.4 等效应力云图

图5.5 等效应变云图

ANSYS提供了丰富的弹塑性分析选择以及各种非线性分析设置,基于Workbench平台,易于操作的便利性,可以方便的进行各种材料模型的弹塑性分析。