Workbench仿真塑性材料拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2017-04-03  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在結(jié)構(gòu)有限元分析中很多情況只需要考慮材料的線彈性階段。但有時(shí)設(shè)計(jì)人員希望能充分發(fā)揮材料的極限性能,就需要考慮材料的屈服和強(qiáng)化階段。本實(shí)例利用有限元仿真分析方法模擬材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),針對(duì)塑性材料力學(xué)性能有限元仿真有一定的參考意義,希望能幫到大家。

【溫故知新】

大家可還記得材料力學(xué)中的力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)?忘了的朋友趕緊腦補(bǔ)去…

復(fù)習(xí)好了哇?直接上實(shí)驗(yàn)結(jié)果...似曾相識(shí)?J

塑性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

注:在ANSYS有限元程序中默認(rèn)比例極限等于屈服極限。

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幾何模型與網(wǎng)格

試樣最小截面直徑10mm。網(wǎng)格劃分如下(網(wǎng)格粗糙,演示用)。

材料參數(shù)

楊氏模量2E11 Pa,泊松比0.325,屈服極限350Mpa,強(qiáng)度極限516Mpa。塑性階段采用Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型)材料本構(gòu)關(guān)系模型,用列表形式輸入應(yīng)力與塑性應(yīng)變。材料參數(shù)設(shè)置截圖如下。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中為得到較為準(zhǔn)確的材料屬性,可用電子拉力機(jī)對(duì)小試件做力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)確定的。通過(guò)試驗(yàn)可以得到上述材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。注意試驗(yàn)得到的是總應(yīng)變,而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain,所以還需將試驗(yàn)所得的總應(yīng)變減去對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變(即屈服點(diǎn)之后的每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的總應(yīng)變減去這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變,其中彈性應(yīng)變=應(yīng)力/彈性模量,這里不考慮其他因素影響近似認(rèn)為總應(yīng)變=彈性應(yīng)變+塑性應(yīng)變)

3

邊界條件

一端完全約束,一段加載軸向拉力40000N。

分析步設(shè)置

每一步分析都能計(jì)算出一個(gè)應(yīng)力和應(yīng)變,因此可以根據(jù)繪圖的精度來(lái)確定載荷步的多少。但要遵循一個(gè)原則:線彈性階段不宜設(shè)置過(guò)多載荷步,因?yàn)榫€彈性階段應(yīng)力應(yīng)變是線性變化的,計(jì)算出較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)也沒有多大意義。一般線性階段設(shè)置3~4個(gè)載荷步,能起到驗(yàn)證線性變化即可;屈服階段載荷步設(shè)置可依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線設(shè)置多一些載荷步,但要綜合考慮計(jì)算機(jī)的性能和計(jì)算時(shí)間。 Ps:我10G內(nèi)存,處理器頻率還不到3GHz的本本,算57個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)需要10分鐘左右。

分析步設(shè)置如下圖:

先輸入Number of step即一共打算設(shè)置的載荷步,然后修改Current Step Number對(duì)每一個(gè)載荷步進(jìn)行子步設(shè)置。一般默認(rèn)子步設(shè)置為Auto time stepping—program controlled,該選項(xiàng)會(huì)增加子步數(shù)量,如果計(jì)算機(jī)性能較低可以關(guān)掉Auto time stepping(值為OFF),選擇默認(rèn)子步數(shù)量1。

載荷步設(shè)置

如果拉力過(guò)小會(huì)出現(xiàn)試件根本拉不到屈服階段,如果過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力范圍超過(guò)之前設(shè)定的范圍,而出現(xiàn)計(jì)算出錯(cuò)。這里可用理論公式計(jì)算最大拉力=100mm^2*516Mpa=51600N。考慮應(yīng)力集中因素適當(dāng)降低最大拉力至40000N。試算下40000N載荷對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力為510Mpa和強(qiáng)度極限相比比較接近但并沒超過(guò),能模擬出大部分的屈服階段,故選40000N是合適的。

試算可以知道25000N左右可以達(dá)到屈服極限。40000N左右可以達(dá)到強(qiáng)度極限。那0-25000N為線彈性階段這里設(shè)置了3步載荷,250000-40000N為屈服階段設(shè)置了7步載荷。(本例后面9步載荷都為自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng),應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)一個(gè)57個(gè))

結(jié)果后處理

(a) 最大應(yīng)力與總應(yīng)變最大值曲線圖如下:

上圖橫坐標(biāo)為總應(yīng)變最大值,縱坐標(biāo)為最大應(yīng)力(正規(guī)化)?？梢钥闯雠c材料力學(xué)中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相同的。

(b) 等效應(yīng)力最大值隨時(shí)間的變化曲線

可以看出剛開始幾步最大應(yīng)力值隨時(shí)間線性增大,后面屈服點(diǎn)附近最大應(yīng)力值有短暫減小過(guò)程,然后在穩(wěn)步上升,并且斜率是由大變小的。

(c)彈性總應(yīng)變與總應(yīng)變圖:

橫軸時(shí)間,縱軸應(yīng)變(紅色曲線代表總應(yīng)變最大值,藍(lán)色曲線代表彈性應(yīng)變最大值)。 在彈性階段總應(yīng)變等于彈性應(yīng)變,第四秒左右載荷值大約在27000N時(shí)材料達(dá)到屈服點(diǎn)開始有塑性應(yīng)變,總應(yīng)變出現(xiàn)向上拐點(diǎn),而彈性應(yīng)變依舊是線性增加。

7

本例常見的報(bào)錯(cuò)情況。

1:材料多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型參數(shù)輸入時(shí)容易出現(xiàn)黃色警示。數(shù)據(jù)不要太多建議在40個(gè)點(diǎn)以內(nèi),而且應(yīng)力塑性應(yīng)變曲線必須單調(diào)遞增。保證第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的塑性應(yīng)變必須為0。程序默認(rèn)屈服點(diǎn)處沒有塑性應(yīng)變。還要注意單位,不要把應(yīng)力單位搞錯(cuò)啦,默認(rèn)是Pa!

2:材料應(yīng)力超過(guò)我們定義的強(qiáng)度極限,會(huì)出現(xiàn)如下錯(cuò)誤提示。這時(shí)應(yīng)降低載荷值。

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