ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）

2017-08-25 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

前面有專門(mén)對(duì)預(yù)應(yīng)力螺栓的問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明,下面繼續(xù)就那個(gè)問(wèn)題說(shuō)明如何分析后面的蠕變行為。

2017年3月推送文章

Ansys螺栓預(yù)緊力(Hypermesh前處理)

1.蠕變現(xiàn)象

蠕變現(xiàn)象簡(jiǎn)單來(lái)講就是材料在高溫作用下,即使所處工況不變,材料內(nèi)部應(yīng)力(應(yīng)變)仍會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。典型的蠕變曲線

如下:

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys分析圖片1

典型蠕變曲線

在初始蠕變階段(第一蠕變階段),蠕變速率隨著時(shí)間會(huì)逐漸下降;在穩(wěn)態(tài)蠕變階段(第二蠕變階段)蠕變速率會(huì)保持不變;而加速蠕變階段(第三蠕變階段),蠕變速率急速上升,往往意味著材料失效的發(fā)生。

下面主要對(duì)其中兩種情況進(jìn)行說(shuō)明,這兩種情況也是本文所討論的兩類分析(僅討論初始蠕變階段):

①對(duì)于外部載荷不變也就是常載荷的情況,結(jié)構(gòu)蠕變應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間逐漸變大,類似于高溫情況下加載,結(jié)果變形越來(lái)越大。

②對(duì)于像預(yù)應(yīng)力螺栓這種在一定初始應(yīng)力場(chǎng)下且結(jié)構(gòu)邊界保持不變的情況下,結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間逐步減小,也就是常說(shuō)的應(yīng)力松弛。

2.蠕變本構(gòu)

蠕變方程通常是應(yīng)力,應(yīng)變,溫度以及時(shí)間的函數(shù)。即

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys分析圖片2

對(duì)于蠕變材料的本構(gòu),ansys給出了很多,其中大部分都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,這里僅簡(jiǎn)單說(shuō)下時(shí)間強(qiáng)化蠕變模型,這個(gè)本構(gòu)模型也是使用比較多的。

Help中給出了該本構(gòu)的方程式:

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys分析圖片3

可以看到該本構(gòu)需要四個(gè)參數(shù),C1,C2,C3,C4,其中可以看到其是應(yīng)力,時(shí)間,溫度的函數(shù),沒(méi)有應(yīng)力強(qiáng)化項(xiàng);同理,對(duì)于應(yīng)力強(qiáng)化本構(gòu),沒(méi)有時(shí)間強(qiáng)化項(xiàng)。其中,在形變速率與應(yīng)力的關(guān)系中,其指數(shù)C2多在2~20之間,4較為常見(jiàn);時(shí)間項(xiàng)指數(shù)C3,若C3為負(fù)數(shù),則表示應(yīng)變率隨時(shí)間降低,反之則升高,對(duì)于第一階段蠕變來(lái)說(shuō),顯然應(yīng)變率是降低的,應(yīng)該取負(fù)值;C1的量綱可以根據(jù)其余幾項(xiàng)反推出來(lái)。本文使用參數(shù)從論文中查的,取C1=0.54e-16,C2=4,C3=-0.6,C4=6000。

3.問(wèn)題一

3.1問(wèn)題

長(zhǎng)100mm,高30mm的懸臂薄板,左邊固定,上表面施加大小為200MPa的壓力,分析1000h內(nèi)在環(huán)境溫度900℃下的蠕變效應(yīng)。

3.2前處理部分(包括邊界設(shè)置)

前處理部分比較簡(jiǎn)單,具體見(jiàn)后面命令流。下面直接給出處理后的結(jié)果:

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys分析圖片4

整體有限元模型

3.3分析

首先,為了得到常外載邊界,先在較小的時(shí)間步內(nèi)求解初始載荷的應(yīng)力場(chǎng),并且不考慮蠕變效應(yīng)。求解完成之后,再打開(kāi)蠕變效應(yīng)開(kāi)關(guān),設(shè)置時(shí)間與子步數(shù),求解蠕變效應(yīng)。這里注意的是,蠕變效應(yīng)的收斂情況是和時(shí)間步長(zhǎng)有關(guān)系的,特別是如果開(kāi)始蠕變效應(yīng)特別明顯導(dǎo)致不收斂,建議縮小時(shí)間步長(zhǎng)重新計(jì)算,這里建議時(shí)間步長(zhǎng)為1(使用靜態(tài)分析,瞬態(tài)分析的話建議關(guān)閉時(shí)間積分效應(yīng))。

3.4結(jié)果后處理

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys workbanch圖片5

蠕變過(guò)程總位移云圖(變形放大50倍)(gif)

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蠕變過(guò)程米塞斯應(yīng)力云圖(gif)

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根部米塞斯蠕變應(yīng)變曲線

可以看到蠕變率逐漸升高但是蠕變速率逐漸降低,這符合第一階段的特點(diǎn)。

下面是命令流部分:

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys workbanch圖片8

4.問(wèn)題二

繼續(xù)之前螺栓預(yù)緊的部分向后進(jìn)行,在hm中處理之后的有限元模型如下(模型略有改動(dòng)):

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys培訓(xùn)的效果圖片9

整體有限元模型

簡(jiǎn)單回顧:其中兩個(gè)被連接板端部固定,中間用一公稱直徑為10mm的螺栓連接。為了使螺栓的預(yù)緊力以位移形式鎖定以便模擬模擬松弛現(xiàn)象,這里預(yù)緊力以相對(duì)位移的形式施加,施加預(yù)緊位移0.1mm。由于取一半模型分析,因此剖面施加對(duì)稱約束(約束面外自由度),預(yù)緊力施加一半即可。

現(xiàn)在試對(duì)其進(jìn)行后續(xù)蠕變分析,分析500h之內(nèi)螺栓的應(yīng)力分布變化以及螺栓中部的應(yīng)力曲線。

為了使蠕變能快速進(jìn)行,這里將C1取大一點(diǎn),取為5.4e-8,同上分析,第一步關(guān)閉蠕變效應(yīng),在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行預(yù)緊力分析,然后第二步打開(kāi)蠕變效應(yīng),進(jìn)行蠕變分析,設(shè)置求解時(shí)間500,子步數(shù)500,下面是求解結(jié)果:

ansys預(yù)應(yīng)力螺栓的蠕變分析（應(yīng)力松弛）ansys培訓(xùn)的效果圖片10