如何理解ANSYS彈塑性分析中的強化模型

2017-04-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

昨天在整理文檔的時候,發現很早以前有朋友和我探討ANSYS中強化模型的意義問題,當時我先把問題存在有道云筆記里,待有空的時候琢磨琢磨,結果后來竟然給忘記了,實在是不靠譜啊!那么既然如此,今天就把這個問題重新拿出來,聊一聊,不足的地方,還望各位同行補充。

先來回顧一些概念

什么時候才需要做彈塑性分析呢?線彈性分析階段就是應力和應變成正比唄,即應力=應變*彈性模量,卸載以后一切恢復原狀。一旦在達到材料的彈性極限后,繼續加載,使材料進入塑性階段,此時再卸載就無法恢復原狀。

那么在這個過程當中,構件產生的總應變就可以分為彈性應變和塑性應變兩部分,彈性應變依然和應力存在正比的關系,關鍵就是如何建立起來塑性應變與由此產生的應力之間的關系呢?這就需要引入塑性模型( Plasticity Models)了。

影響塑性應變的因素有很多,如加載歷史(這就是為什么彈塑性分析要涉及到荷載步了)、溫度、應力、應變率,以及一些內部因素,如材料的屈服強度、損傷等。

那么,塑性模型如何來描述塑性發展的過程呢?ANSYS用三個準則來解決這個問題:

屈服準則:加載過程中,一旦材料的等效應力超過屈服應力,程序判定進入塑性狀態,這是解決一個從彈性到塑性的過渡點問題;

流動準則:當構件發生塑性應變時,流動準則定義了應變方向,也就是說,流動準則可以描述在達到屈服后,在每一個荷載增量的作用下,塑性應變的各個分量是如何發展的;

強化準則:描述了初始屈服準則隨著塑性應變的增加是怎樣發展的。

關于“強化”,得多說幾句,當材料經過屈服階段的塑性變形后,卸載,再加載到屈服,新的屈服點要比原屈服點高一些。那第一次屈服點就對應著“初始屈服準則”,每一次的屈服都比上一次高一點,這個發展的過程就是強化。

根據強化過程是不是與方向有關來區分,如果一個方向加載-卸載作用后,各個方向上的強化效果相同,就叫做“等向強化”;如果一個方向加載-卸載作用后,各個方向上的強化效果不同,就叫做“隨動強化”。

這里,等向強化和隨動強化的區別,主要就在方向性上。對于一次單向加載,二者的區別不大,如果是反復加載,即構件既有受拉到屈服也有受壓到屈服,這就應當用隨動強化而不是等向強化來解決問題了。

比如等向強化模型通常采用Von Mises(各向同性)屈服準則,對于金屬、高分子多聚物,以及飽和地質材料等都可以有很好的近似度,但是其不適合用于微觀結構和具有塑性膨脹性質的材料;隨動強化模型可采用Hill(各向異性)屈服準則,屈服過程需要考慮應力方向與軸向的相對關系,可用于微結構或宏觀金屬的鍛造過程。

在各向異性坐標系統中,應力方向用單元坐標系統來定義,而在各項同性系統中,屈服應力是一個常量。

在每種強化模型中,又分為三個類別:雙線性、多線性和非線性。三者之間的區別見下圖: