ANSYS高级非线性培训手册第04章

TrainingManual第四章蠕变AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变本章综述•前一章探讨了率无关塑性,本章将讨论ANSYS中蠕变行为的分析方法。–尽管从材料的观点看蠕变和粘塑性是相同的,但本构模型的使用不同。因此,率相关的塑性主题被分为两部分,这部分属于蠕变。•本章将介绍ANSYS中可用的大量的隐式和显式蠕变法则。–主要讨论金属的蠕变。然而,讨论的各种观点也适用于塑料或混凝土等其它材料的蠕变。–ANSYS有隐式和显式两种蠕变分析过程。首先讨论蠕变的一般知识，然后是进行隐式或显式蠕变分析的细节。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变…本章综述•本章包括下列主题：A.蠕变现象背景B.术语定义C.一般蠕变方程D.隐式蠕变过程E.显式蠕变过程F.ANSYS蠕变模型的求解过程G.隐式蠕变与显式蠕变的比较AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变A.蠕变背景•晶体材料中,如金属,蠕变机理与空隙的扩散流动和位错运动有关。–空隙是点缺陷,倾向于形成与所施加应力方向垂直(而不是平行)的晶界。空隙由高集中区向低集中区运动。在低应力状态下发生扩散流动，但通常需要高温条件。–晶粒的位错是线缺陷.位错运动(攀升、滑动、偏移)在高应力状态下被激活,尽管在中温时也可能发生位错运动。–有时晶界滑移被认为是一种独立的导致蠕变变形的机理。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...蠕变背景•尽管对材料科学的详细论述超越了本书的范围，也足以说明前面提及的物理机理导致蠕变。蠕变变形与应力、应变、时间和温度的相关性一般用与下式相似的形式来模拟：•函数f1-4与选择的蠕变法则有关。–通常由不同应变速率和温度条件下的各种拉伸实验确定相关蠕变常数。•假设各向同性行为,vonMises方程用于计算有效应力,在蠕变应变率方程中使用等效应变(与率无关塑性相似)。Tftfffcr4321AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...蠕变背景•当计算弹性、塑性和蠕变应变时,ANSYS使用附加的应变分量:•计算塑性应变(流动法则)类似于前一章的描述。根据蠕变应变率方程计算蠕变应变，它的详细形式将在后面讨论。•弹性、蠕变和塑性应变都基于(当前的)应力状态，但它们是独立计算的(彼此互不依赖)。–注意在利用隐式蠕变与显式蠕变进行计算时有差别。crplelelD:附加分量应力-应变AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...蠕变背景•与塑性类似,蠕变是一种基于偏量行为的不可逆(非弹性)应变。在蠕变流动条件下,假设材料是不可压缩的。•另一方面,与率无关塑性不同,蠕变在发生非弹性应变时没有屈服面。–因此,蠕变不需要高应力值来发生更多的蠕变应变。假设在所有非零应力值时都会发生蠕变应变。•前面提到,从材料的角度看,蠕变和粘塑性是相同的。–工程应用中,通常蠕变用于描述低应变速率的热激活过程。率无关塑性和隐式蠕变应变以弱耦合方式处理。–相反,ANSYS中粘塑性本构模型用于描述高应变速率的应用(例如,冲击载荷)。非弹性应变以强耦合方式处理。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...蠕变分析实例焊球蠕变分析的例子(热循环)。BretZahn,ChipPAC授权的ANSYS模型()单元185(B-Bar),双曲正弦隐式蠕变模型AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变B.术语的定义•蠕变的三个阶段:–在常载荷条件下,蠕变的单轴应变与时间的关系如下图所示。–第一阶段,应变率随时间减小，该阶段在较短时间内完成。第二阶段具有常应变率。第三阶段,应变率迅速增加直到破坏(断裂)。t第二阶段第三阶段第一阶段断裂AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...术语的定义•蠕变的三个阶段(续)–蠕变应变率可能是应力、应变、温度、和/或时间的函数。–对于工程分析,通常最关心蠕变的第一和第二阶段，第三阶段蠕变通常与开始破坏有关(颈缩、损坏),且时间较短，因此,ANSYS中不模拟第三阶段。–第一阶段蠕变的应变率通常远大于第二阶段蠕变。然而,应变率在第一阶段逐渐降低而在第二阶段几乎为常值(对于前面提及的常应力、恒温下单轴试验情况而言)，而且第一阶段蠕变时间比第二阶段短。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...术语的定义•蠕变–在施加恒应力条件下,蠕变应变增加。•应力松弛–在施加恒应变条件下,应力降低。ttAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...术语的定义•时间强化–假设蠕变应变率仅与从蠕变过程开始的时间有关，也就是说,该曲线上/下移动，当应力从1到2变化时,计算A到B点的不同蠕变速率。•应变强化–假设蠕变速率仅与材料现有的应变有关，也就是说,曲线左/右移动.当应力从1到2变化时,计算A到B点的不同蠕变应变率。t12ABt12ABncrtncrAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...术语的定义•显式蠕变–显式蠕变是指应用Euler向前法进行蠕变应变演化的计算。在每个时间步使用的蠕变应变率与该时间步开始时的速率一致，并假设在整个时间步Dt内为常量，因此，需要很小的时间步以使减小误差。–对于有塑性的显式蠕变,首先进行塑性修正,然后进行蠕变修正。两种修正在不同应力值处进行，因此精度较差。,,,ttttcrTfDAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...术语的定义•隐式蠕变–隐式蠕变应用了Euler向后积分法求解蠕变应变。该方法在数值上无条件稳定，这意味着不必象显式蠕变方法那样,使用小的时间步,所以总体上会更快。–对于隐式蠕变加上率无关塑性,塑性修正和蠕变修正同时进行,而不是分别进行。因此,隐式蠕变一般比显式蠕变更精确,但它仍与时间步大小有关，必须使用足够小的时间步来精确捕捉路径相关行为。•基于上述原因,隐式蠕变是ANSYS推荐的方法(高效、精确)。后面将详细讨论两种蠕变过程。,,,ttttttcrTfDDDAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变C.一般蠕变方程•如前所述,蠕变方程通常是一种速率形式,类似于下式:•然而,被分析的材料类型决定了具体蠕变方程的选择。现在讨论一些一般的特性,具体模型包括在隐式蠕变和显式蠕变两部分中。–单元手册第2.5章节也包括了隐式和显式蠕变方程。Tftfffcr4321AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...一般蠕变方程温度相关性–蠕变效应被热激活,它的温度相关性通常由Arrhenius法则来表示:式中Q为激活能,R为普适气体常数,T为绝对温度。应力相关性–蠕变应变通常也与应力有关,尤其是位错蠕变。Norton法则为:对上述幂定律的常见修正如下:RTQcrencrCcreAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...一般蠕变方程通常第一阶段蠕变显示时间或应变强化。–时间强化包含在一个时间相关项中:–应变强化包含在一个应变相关项中:–由可用的材料数据来决定使用哪一项(应变或时间强化)。–第二阶段不具有时间或应变强化，第二阶段的蠕变应变率通常是常数。mcrtncrAdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...一般蠕变方程•ANSYS中可用的蠕变法则汇总如下:如前所述,只要可能,推荐采用隐式蠕变。ExplicitImplicitCreepEquationDescriptionTypeC6/C12valueTBOPTvalueStrainHardeningPrimaryC6=01TimeHardeningPrimaryC6=12GeneralizedExponentialPrimaryC6=23GeneralizedGrahamPrimary-4GeneralizedBlackburnPrimary-5ModifiedTimeHardeningPrimary-6ModifiedStrainHardeningPrimary-7GeneralizedGarofalo(Hyperbolicsine)Secondary-8ExponentialFormSecondaryC12=09NortonSecondaryC12=110TimeHardeningBoth-11RationalPolynomialBothC6=1512GeneralizedTimeHardeningPrimary-13UserCreepC6=100100Annealed304StainlessSteelBothC6=9-Annealed316StainlessSteelBothC6=10-Annealed2.25Cr-1MoLowAlloySteelBothC6=11-PowerFunctionCreepLawPrimaryC6=12-SterlingPowerFunctionCreepLawBothC6=13-Annealed316StainlessSteelBothC6=14-20%ColdWorked316SS(Irradiation-Induced)BothC66=5-TrainingManual隐式蠕变D节AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变D.隐式蠕变过程•本节讨论进行隐式蠕变分析的过程。•如前所述,因为隐式蠕变比显式蠕变更稳定、精确和高效(更快),所以是首选的方法。–这是由于该公式中使用了隐式积分法(Euler向后法)。–有些情况下采用的蠕变法则或单元类型需要使用显式蠕变方法。AdvancedStructuralNonlinearities11.0TrainingManual隐式和显式蠕变...支持的单元类型•隐式蠕变材料支持的单元类型:–“核心”单元:PLANE42,SOLID45,PLANE82,SOLID92和SOLID95–“18x”系列单元:LINK180,SHELL181,PLANE182,PLANE183,SOLID185,SOLID186,SOLID187,BEAM188和BEAM189•隐式蠕变分析中,推荐选择“18x”系列单元。–因为在“18x”系列单元中有大量的单元技术可用(参考第二章),这些单元提供了更强的灵活性和能力。这些公式包括B-Bar,URI,增强应变及混合U-P。–“18x”系列单元比核心单元支持更多的本构模型,包括超弹性。AdvancedStructuralNonlinearities11.0Tra