Workbench仿真塑性材料拉伸力學(xué)實驗

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源: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。但有時設(shè)計人員希望能充分發(fā)揮材料的極限性能,就需要考慮材料的屈服和強化階段。本實例利用有限元仿真分析方法模擬材料力學(xué)性能實驗,針對塑性材料力學(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)性能測試試驗?忘了的朋友趕緊腦補去…

復(fù)習(xí)好了哇?直接上實驗結(jié)果...似曾相識?J

塑性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

注:在ANSYS有限元程序中默認比例極限等于屈服極限。

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,強度極限516Mpa。塑性階段采用Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動強化模型)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。

在實際工程項目中為得到較為準確的材料屬性,可用電子拉力機對小試件做力學(xué)性能試驗來確定的。通過試驗可以得到上述材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。注意試驗得到的是總應(yīng)變,而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain,所以還需將試驗所得的總應(yīng)變減去對應(yīng)的彈性應(yīng)變(即屈服點之后的每一個試驗點的總應(yīng)變減去這個點對應(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為總應(yīng)變=彈性應(yīng)變+塑性應(yīng)變)

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

每一步分析都能計算出一個應(yīng)力和應(yīng)變,因此可以根據(jù)繪圖的精度來確定載荷步的多少。但要遵循一個原則:線彈性階段不宜設(shè)置過多載荷步,因為線彈性階段應(yīng)力應(yīng)變是線性變化的,計算出較多的數(shù)據(jù)點也沒有多大意義。一般線性階段設(shè)置3~4個載荷步,能起到驗證線性變化即可;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,但要綜合考慮計算機的性能和計算時間。 Ps:我10G內(nèi)存,處理器頻率還不到3GHz的本本,算57個數(shù)據(jù)點需要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對每一個載荷步進行子步設(shè)置。一般默認子步設(shè)置為Auto time stepping—program controlled,該選項會增加子步數(shù)量,如果計算機性能較低可以關(guān)掉Auto time stepping(值為OFF),選擇默認子步數(shù)量1。

載荷步設(shè)置

如果拉力過小會出現(xiàn)試件根本拉不到屈服階段,如果過大則會導(dǎo)致應(yīng)力范圍超過之前設(shè)定的范圍,而出現(xiàn)計算出錯。這里可用理論公式計算最大拉力=100mm^2*516Mpa=51600N?？紤]應(yīng)力集中因素適當降低最大拉力至40000N。試算下40000N載荷對應(yīng)最大應(yīng)力為510Mpa和強度極限相比比較接近但并沒超過,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左右可以達到屈服極限。40000N左右可以達到強度極限。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步載荷都為自動時間步長,應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)點一個57個)

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:

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

(b) 等效應(yīng)力最大值隨時間的變化曲線

可以看出剛開始幾步最大應(yīng)力值隨時間線性增大,后面屈服點附近最大應(yīng)力值有短暫減小過程,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:

橫軸時間,縱軸應(yīng)變(紅色曲線代表總應(yīng)變最大值,藍色曲線代表彈性應(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時材料達到屈服點開始有塑性應(yīng)變,總應(yīng)變出現(xiàn)向上拐點,而彈性應(yīng)變依舊是線性增加。

本例常見的報錯情況。

1:材料多線性隨動強化模型參數(shù)輸入時容易出現(xiàn)黃色警示。數(shù)據(jù)不要太多建議在40個點以內(nèi),而且應(yīng)力塑性應(yīng)變曲線必須單調(diào)遞增。保證第一個數(shù)據(jù)點的塑性應(yīng)變必須為0。程序默認屈服點處沒有塑性應(yīng)變。還要注意單位,不要把應(yīng)力單位搞錯啦,默認是Pa!

2:材料應(yīng)力超過我們定義的強度極限,會出現(xiàn)如下錯誤提示。這時應(yīng)降低載荷值。