ANSYS培训1(3)

ANSYSTRAINING材料库及常用非线性材料模型ANSYSTRAINING•定义材料性质时，首先给出弹性材料性质(EX、PRXY等)。•然后给出非线性材料性质。EX屈服点T3T2T1材料属性定义ANSYSTRAINING•各向同性材料：EX必须输入泊松比（PRXY或NUXY）默认为0.3GXY＝EX/(2(1+NUXY))•正交各向异性材料所有参数必须输入（EX，EY，EZ，(PRXY，PRYZ，PRXZ，orNUXY，NUYZ，NUXZ)，GXY，GYZ，andGXZ)，无默认值•一般各向异性材料直接输入弹性（或柔度）矩阵线弹性属性定义ANSYSTRAINING•PRXY和NUXY的意义、区别：•PRXY为主泊松比，指的是在单轴作用下，X方向的单位拉（或压）应变所引起的Y方向的压（或拉）应变。•NUXY为次泊松比，它代表了与PRXY成正交方向的泊松比，指的是在单轴作用下，Y方向的单位拉（或压）应变所引起的X方向的压（或拉）应变。•对于正交各向异性材料，需要根据材料数据的来源确定数据的输入方式。但是对于各向同性材料来说，选择PR*或NU*来输入泊松比是没有任何区别的。泊松比的意义ANSYSTRAINING•ANSYS材料库：…\ansys90\matlib\•用户自定义材料库--练习材料库的运用ANSYSTRAINING非线性材料属性•弹塑性：多种屈服准则：Mises、Hill、广义Hill、Drucker-Prager、Mohr-Coulomb多种强化方式：随动、各向同性、混合双线性、多线性•粘塑性：高温金属•蠕变：数十种蠕变模型，显式&隐式，与弹塑性联合使用•非线性弹性•粘弹性：玻璃类、塑料类材料•超弹性：各种橡胶类、泡沫类材料•膨胀：核材料•混凝土材料•……ANSYSTRAINING弹性回顾:•讨论塑性之前，先回顾一下金属的弹性。–弹性响应中，如果产生的应力低于材料的屈服点，卸载时材料可完全恢复到原来的形状。–从金属的观点看，这种行为是因为延伸但没有破坏原子间化学键。因为弹性是由于原子键的延伸，所以是完全可恢复的。而且这些弹性应变往往是小的。–金属的弹性行为最常用虎克定律的应力应变关系描述:EANSYSTRAINING塑性回顾:•塑性金属中也会遇到非弹性或塑性响应。–超过屈服应力是塑性区域，塑性区域中卸载后残留一部分永久变形。–如果考虑在分子层次上发生了什么，塑性变形是由于剪切应力(偏差应力)引起的原子平面间的滑移引起的。位错运动的实质是晶体结构中的原子重新排列得到新的相邻元素，从而导致不可恢复塑性应变。–值得注意的是，与弹性不同，滑移不会引起任何体积应变(不可压缩条件)。ANSYSTRAINING塑性回顾(续):–因为塑性处理由于位移引起的能量损失，所以它是非保守(路径相关)过程。–延性金属支持比弹性应变大得多的塑性应变。–弹性变形实质上独立于塑性变形，因此产生的超过屈服点的应力仍产生弹性和塑性应变。因为假设塑性应变不可压缩，所以材料响应随着应变增加变为几乎不可压缩。屈服点y弹性塑性卸载ANSYSTRAINING率无关塑性:•如果材料响应和载荷速率或变形速率无关，称材料为率无关。–低温时(1/4或1/3的熔点温度)大多数材料呈现率无关行为和低应变速率。ANSYSTRAINING•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–流动准则–强化规律ANSYSTRAINING屈服准则•对于单向拉伸试件，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的屈服应力相比较。因此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。屈服准则ANSYSTRAINING…屈服准则:•一个常用的屈服准则是范米赛斯屈服准则。只要变形的内能(等效应力)超过一定值，就会发生屈服。范米赛斯等效应力定义为: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，屈服发生：21323222121eye范米赛斯屈服准则ANSYSTRAINING范米赛斯屈服准则•若在3D主应力空间中画出，vonMises屈服面是一个圆柱体。213123圆柱体以1=2=3为轴排列。注意如果应力状态在圆柱体内，不发生屈服。这意味着如果材料在静水压力下(1=2=3)，再大的静水压力也不会引起屈服。从另一个角度看，偏离(1=2=3)轴的应力参与计算vonMises应力{s}。ANSYSTRAINING•从轴1=2=3的角度看，vonMises屈服准则如下所示。e弹性塑性s2s1s3ssy主应力空间单轴应力－应变范米赛斯屈服准则ANSYSTRAINING•缺省时，所有的率无关塑性模型采用vonMises屈服准则，除非另外说明。–双线性等向强化(BISO)–多线性等向强化(MISO)–非线性等向强化(NLISO)–双线性随动强化(BKIN)–多线性随动强化(KINH&MKIN)–Chaboche非线性随动强化(CHAB)ANSYSTRAININGHill屈服准则(HILL)•另一个有用的屈服准则是Hill准则，它是各向异性(vonMises是各向同性)。Hill准则可看作是vonMises屈服准则的延伸。Hill准则可写为：六个常数（Rxx，Ryy，Rzz，Rxy，Ryz，Rxz）表示Hill屈服准则的特性:222222222xzyzxyzxzyyxoMLNGFH222111zzyyxxRGFRHFRHG222232323xzyzxyRMRLRNoyzzzzoyyyyyoyxxxxRRRoyxzxzoyyzyzoyxyxyRRR333ANSYSTRAININGHill屈服准则(HILL)•Hill准则需要通过简单试验确定6个常数。•前面的常数（Rxx，Ryy，Rzz，Rxy，Ryz，Rxz）代表在给定方向的屈服应力与参照屈服应力(vonMises)的比率。•对线弹性材料特性，可指定各向同性或正交各向异性特性(EX，EY，EZ等)•Hill准则不描述强化;它仅描述屈服准则。Hill势与等向、随动和混合强化模型相结合。–在这些模型中，vonMises用作‘参照’屈服应力。Hill模型则用来确定六个方向的实际屈服应力值。s2s1s3ses2s3s3ys2y主应力空间单轴应力-应变ANSYSTRAINING广义Hill势(ANISO)•广义Hill势与Hill势相似，区别如下:–广义Hill供非均质材料用(拉伸和压缩屈服比率不同)。–直接输入不同方向的屈服应力(应力单位)，不是屈服应力比率(无量纲)。–强化规律是双线性等向强化。已经内置于材料定义中，所以不用发出TB，BISO命令。无需指定额外的强化准则。–假设和温度无关。–不支持18x单元。ANSYSTRAINING广义Hill势(ANISO)•广义Hill势理论的屈服面可看作是在主应力空间内移动了的变形圆柱体。–由于各向异性(不同方向屈服不同)，所以圆柱屈服面变形(Hill准则)。–因为屈服在拉伸和压缩中可指定为不同，所以圆柱屈服面被初始移动。s2s1s3ses3s3yt主应力空间单轴应力-应变s3ycANSYSTRAINING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强化规律ANSYSTRAINING…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。强化规律ANSYSTRAINING随动强化•单轴试件随动强化的应力-应变行为是:y2y’注意压缩时的后继屈服减小量等于拉伸时屈服应力的增大量，因此这两种屈服应力间总能保持2y的差值。(这叫做Bauschinger效应。)随动强化通常用于小应变、循环加载的情况。强化规律ANSYSTRAINING…随动强化:•初始各向同性材料在屈服并经历随动强化后不再是各向同性。•随动强化模型不适合于非常大的应变的模拟。y2y’强化规律ANSYSTRAINING等向强化•等向强化单轴试件应力-应变行为是:’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。强化规律ANSYSTRAINING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强化规律ANSYSTRAINING•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。ANSYSTRAINING…材料属性•记住大应变塑性分析要求输入数据为真实应力-对数应变，而小应变分析可以用工程应力-应变数据。•如果所提供的试验数据用工程应力-应变度量，那么在将它输入ANSYS进行大应变分析之前，必须转换为真实应力-对数应变数据。真实应力应变工程ANSYSTRAINING…材料属性:•然而，在小应变水平，工程应力-应变值与真实应力-对数应变值几乎恒等。–因此，真实应力-对数应变数据可用于一般情况。–如果所提供的实验数据用真实应力-对数应变计量，那么在输入ANSYS之前，即使对小应变分析也不需要转换为工程应力-应变。l=ln(1+)true=(1+)ANSYSTRAINING材料属性–双线性随动强化:•双线性随动强化(BKIN)用双线性的应力-应变曲线表示，包括弹性斜率和剪切模量。采用随动强化的Mises屈服准则，因此包括包辛格效应。该选项可以用于小应变和循环加载的情况。yyET双线性随动强化所需的输入数据是弹性模量E、屈服应力y和剪切模量ET。下面我们在ANSYS中来介绍材料定义的过程ANSYSTRAINING材料属性–多线性随动强化:•多线性随动强化有两个选项:MKIN(固定表)和KINH(通用)。两种材料模型都用多线性的应力-应变曲线模拟随动强化效应。这些选项用Mises屈服准则，对金属的小应变塑性分析有效。MKIN和KINH都通过输入弹性模量和应力-应变数据点定义，弹性模量(E)的输入步骤与BKIN模型相同。ANSYSTRAINING…多线性随动强化–固定表(MKIN):•MKIN选项用Besseling或