ANSYS塑性解析

塑性基础第五章BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-2塑性基础什么是塑性?•当韧性材料经历了超过弹性极限的应力,将发生屈服,获得大而永久的变形.–塑性指超过屈服极限的材料响应.–塑性响应对于金属成型加工是重要的.–对于工作中的结构,有时塑性作为能量吸收机构也很重要.•材料几乎没有塑性变形就断裂,称为脆性.•很多方面,韧性响应比脆性响应更安全.•塑性是最常用的ANSYS材料非线性.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-3…塑性基础•本章将通过如下主题简要介绍塑性材料非线性基础:A.综述B.建模C.求解D.后处理•目的是了解如何在ANSYS模型中包括基本塑性选项.•另外,更高级的塑性选项,和其他材料非线性(如蠕变和超弹性)都在高级结构非线性培训手册中讨论.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-4回顾弹性:•在进行讨论塑性之前，回顾一下材料的弹性是有用的。–在弹性响应中，如果响应应力在材料的屈服点之下，材料在卸载后能完全恢复原来的形状。–从金属材料的观点来看，这种行为是由于拉伸产生的，而不是原子间化学键的断裂•原子键的拉伸是可完全恢复的•弹性应变趋于很小–金属材料的弹性行为最普遍是用应力应变关系的虎克定理描述:E塑性基础A.综述BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-5塑性:•塑性变形是由于剪切应力（偏应力）引起的原子面的滑移而产生的。这中错位运动本质上晶体结构中的原子重组，使其与新的原子相邻。–卸载后，得到不可回复的应变或永久变形–滑移一般不产生任何体应变（不可压缩的条件下），不象弹性变形屈服点y弹性塑性卸载塑性基础…概述BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-6低碳钢的典型应力－应变曲线（夸大）塑性基础…概述弹性理想塑性应变强化上屈服点破坏BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-7塑性基础…概述•结构的塑性响应(典型地,是由于多轴应力状态引起的)基于单轴试验试样的结果.•从单轴应力－应变实验的结果可以得到如下信息:–比例极限.–屈服点.–应变强化.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-8塑性基础…综述比例极限和屈服点•大多数韧性金属在比例极限的应力水平下表现出线性行为.–在比例极限以下,应力和应变线性相关.•另外,在屈服点的应力水平以下,应力-应变响应为弹性.–在屈服点以下,发生的任何应变，卸载后都是完全可恢复的.比例极限屈服点BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-9塑性基础…综述…比例极限和屈服点:•因为通常屈服点和比例极限之间差别很小,ANSYS程序总是假定它们是相同.•屈服点以下的应力-应变曲线部分称为弹性区,屈服点以上的部分称为塑性区.屈服点弹性塑性BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-10塑性基础…综述应变强化•屈服后的行为典型地刻划为弹性-理想塑性或应变强化行为.–应变强化是一种材料响应,当超过初始屈服点以后,随着应变的增大,屈服应力增大.弹性-理想塑性应变强化yyyy单轴应力-应变曲线BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-11塑性基础…综述•增量塑性理论给出一种描述应力增量和应变增量(D和D)的数学关系,用于表示塑性范围内的材料行为.•在增量塑性理论中,有三个基本组成部分:–屈服准则.–流动法则.–强化规律.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-12塑性基础…综述屈服准则•对于单向拉伸是试件,通过比较轴向应力与材料屈服应力可以确定是否屈服.然而,对于多向应力状态,有必要去定义一个屈服准则.•屈服准则是应力状态的单值(标量)度量,可以很容易地与单轴试验得到的屈服应力相比较.•如果知道应力状态和屈服准则,程序就能确定是否会发生塑性应变.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-13塑性基础…综述…屈服准则:•一个常用的屈服准则是vonMises屈服准则,只要变形的内能(等效应力)超过一定值,就会发生屈服.VonMises等效应力定义为:式中,1,2和3是主应力.当等效应力超过材料的屈服应力时发生屈服:21323222121eyeBasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual塑性基础…综述…屈服准则:•VonMises屈服准则可以在主应力空间图示为:•在三维中,屈服面是一个圆柱面,其轴为1=2=3.在二维中,屈服准则图示为一个椭圆.任何在这个屈服面内的应力状态都是弹性的,任何在此屈服面外的应力状态都将引起屈服.211321=2=3BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-15•如果沿着轴线1=2=3看过去，vonMises屈服准则如下图。在屈服面内，象以前提到的，行为表现为弹性。–多轴应力状态可在圆柱体内任何地方存在。–在圆柱（圆形）边缘上，屈服将会发生。–没有应力状态可以存在于圆柱体之外。–强化规律描述圆柱体是怎么随着屈服改变的。弹性的塑性的213y主应力空间单轴应力－应变塑性基础…综述BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-16塑性基础…综述流动法则:•流动法则指定了发生屈服时塑性应变的方向.–也就是说,定义了单个塑性应变分量(xpl,ypl等)如何随屈服发展.•流动方程是从屈服准则导出的,暗示塑性应变沿屈服面的法向发展.–这样的流动准则称为相关流动准则.如果采用其它的流动准则(从不同的函数导出),就称为不相关流动准则.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-17塑性基础…综述强化规律•强化规律描述初始屈服准则如何随不断发展的塑性应变变化.强化规律描述在塑性流动过程中屈服面如何变化.•如果继续加载或者反向加载,强化规律确定材料何时将再次屈服.弹性塑性加载后的屈服面初始屈服面BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-18塑性基础…综述…强化规律:•ANSYS所用的基本强化规律有两个,用于规定屈服面的修正:2初始屈服面1后继屈服面–随动强化.•屈服面大小保持不变,并沿屈服方向平移.–等向强化.•屈服面随塑性流动在所有方向均匀膨胀.2初始屈服面1后继屈服面•对于小应变循环载荷,大多数材料显示出随动强化行为.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-19塑性基础…概述随动强化：•线性随动强化的应力应变行为表述如下:•压缩阶段屈服极限降低，其数量是拉伸时屈服极限的提高量。因此在两屈服间总存在2y的差别。(从包辛格效应也可知道)2132yy'初始屈服面后继屈服面aBasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-20塑性基础…概述…随动强化:•初始各向同性材料屈服并经历随动强化后不再是各向同性.•由于包辛格效应，随动强化模型不适合于非常大的应变的模拟.•随动强化通常用于小应变、循环加载的情况y2y’BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-21等向强化•等向硬化屈服面的应力－应变图如下：•在塑性流动过程中，均匀的膨胀。术语“等向”指的是屈服面均匀的扩展，不同于各向同性屈服准则。2132'y'初始屈服面继后屈服面塑性基础…概述BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-22塑性基础…综述…等向强化’y2’注意压缩的后继屈服应力等于拉伸时的达到的最大应力.等向强化经常用于大应变或比例(非周期)加载的模拟.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-23塑性基础…综述曲线形状•ANSYS塑性模型支持三种不同的曲线形状:双线性多线性非线性BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-24塑性基础…综述率相关•对于给定的应力水平,加载速率可以影响所经受的应变大小.–如果塑性应变的发展不需考虑时间，此塑性称为率无关.•在更大的应变速率下,屈服应力通常更高.–相反,依赖于应变率的塑性称为率相关.•率相关塑性在高级结构非线性培训手册中讨论.应力应变应变速率增加BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-25塑性基础…综述•ANSYS程序有许多塑性选项,允许将给定材料的强化规律、曲线形状和率相关等紧密地匹配起来.NameLabelYieldFlowRuleHardeningMaterialCriterionRuleResponseBilinearBKINvonMisesAssociativeKinematicBilinearKinematicHardeningMultilinearMKINvonMisesAssociativeKinematicMultilinearKinematicKINHHardeningBilinearBISOvonMisesAssociativeIsotropicBilinearIsotropicHardeningMultilinearMISOvonMisesAssociativeIsotropicMultilinearIsotropicHardeningVoceNonlinearNLISOIsotropicHardeningAnisotropicANISODrucker-PragerDPAnand'sModelANANDChabocheCHABHillAnisotropicHILL这些塑性选项在高级结构非线性培训手册中讨论.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-26塑性基础B.建模•现在来学习建立包括基本塑性模型的过程–单元选择.–划分网格.–定义材料属性BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-27塑性基础…建模采用适当的单元类型.•不是所有的单元都支持塑性!–一些单元是纯弹性的,如SHELL63.–另外一些单元支持其它材料非线性,但不支持塑性.•例如,HYPER56支持Mooney-Rivlin超弹性,但不支持塑性.•对于打算采用的每一种单元类型,都必须检查单元描述中的特殊特征列表.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-28塑性基础…建模…采用适当的单元类型:•不可压缩性将影响单元选择.–一旦材料屈服,就变得不可压缩.–ANSYS自动摸拟这种现象.•不可压缩性会导致收敛十分缓慢或者根本不收敛的病态系统.•可以通过选择有适当公式的单元来改善收敛行为.BasicStructuralNonlinearitiesTrainingManual5-29塑性基础…建模…采用适当的单元类型:•对于率无关塑性,推荐采用下面的实体单元:–对于忽略弯曲的体积变形,采用缺省为选择缩减积分(B-Bar)的一阶单元PLANE182和SOLID185单元.•对于相对小的应变情况,用带附加形态的不协调模式单元PLANE42和S