ANSYS中材料非线性模型介绍与选择

zhengmai01... 发表于 2017-5-16 10:02:13 | 显示全部楼层 | 阅读模式

1. 强化
应力达到屈服点后,继续加载(如果切线弹模大于0),有塑形变形,应力升高,然后卸载,这时是弹性的,再加载还是弹性的,直到应力得到卸载时的应力值才开始新的屈服。这种屈服点升高的现象称为强化。
强化机理:塑性变形对应于微观上的位错运动。在塑性变形过程中不断产生新的位错,位错的相互作用提高了位错运动的阻力。这在宏观上表现为材料的强化,在塑性力学中则表现为屈服面的变化。各种材料的强化规律须通过材料实验资料去认识。利用强化规律得到的加载面(即强化后的屈服面)可用来导出具体材料的本构方程。
强化规律比较复杂,一般用简化的模型近似表示。目前广泛采用的强化模型是等向强化模型和随动强化模型。

2. 等向强化

如果材料在一个方向屈服强度提高(强化)在其它方向的屈服强度也同时提高,这样的材料叫等向强化材料。等向强化模型假设,在塑性变形过程中,加载面作均匀扩大,即加载面仅决定于一个强化参量q。如果初始屈服面是f*(σij)=0,则等向强化的加载面可表为: f(σij)=f*(σij)-C(q)=0,
式中σij为应力分量;C(q)是强化参量q的函数。通常q可取为塑性功或等效塑性应变
式中dε为塑性应变ε的增量;式中重复下标表示约定求和。

3. 随动强化

如果材料在应该方向的屈服点提高,其它方向的屈服应力相应下降,比如拉伸的屈服强度提高多少,反向的压缩屈服强度就减少多少,这样的材料叫随动强化材料。
随动强化模型假设,在塑性变形过程中,加载面的大小和形状不变,仅整体地在应力空间中作平动。以αij代表加载面移动矢量的分量,则加载面可表为: f(σij)=f*(σij-αij)=0,式中可取αij=Aε,A为常数。

4. 材料模型选择

对于多数实际材料,强化规律大多介于等向强化和随动强化之间。在加载过程中,如果在应力空间中应力矢量的方向(或各应力分量的比值)变化不大,则等向强化模型与实际情况较接近。由于这种模型便于数学处理,所以应用较为广泛。随动强化模型考虑了包辛格效应,可应用于循环加载和可能反向屈服的问题中。
为了简化计算,常常将强化模型作某些简化。例如,在等向强化模型中,C(q)可进一步假设是塑性功的线性函数或幂次函数,所得到的模型分别称为线性强化模型和幂次强化模型。
等向强化模型假定材料在塑性变形后,仍保持各向同性的性质,忽略了由于塑性变形引起的各向异性的影响,因此,只有在变形不大,以及应力偏量之间的相互改变比例不大时,才能比较符合实际。
随动硬化模型中,弹性卸载区间是初始屈服应力的两倍,根据这种模式,材料总的弹性区间保持不变,但由于拉伸时强化而使压缩屈服应力的幅值减小,即考虑了包兴格效应。
金属材料一般采用等向硬化或随动硬化;而岩土材料,静力问题一般采用等向硬化,循环荷载与动力问题采用随动硬化或混合硬化。

5. ANSYS提供的典型的非线性材料模型

(1)双线性随动强化(BKIN)
使用一个双线性来表示应力应变曲线,所以有两个斜率,弹性斜率和塑性斜率,由于随动强化的Von mises屈服准则被使用,所以包含有鲍辛格效应,此选项适用于遵守Von Mises 屈服准则,初始为各向同性材料的小应变问题,这包括大多数的金属。需要输入的常数是屈服应力和切向斜率,可以定义高达六条不同温度下的曲线。
注意事项:
1.使用MP命令来定义弹性模量
2.弹性模量也可以是与温度相关的
3.切向斜率Et不可以是负数,也不能大于弹性模量
在使用经典的双线性随动强化时,可以分下面三步来定义材料特性。
1.定义弹性模量
2.激活双线性随动强化选项
3.使用数据表来定义非线性特性
(2)双线性等向强化(BIS0)
也是使用双线性来表示应力-应变曲线,在此选项中,等向强化的Von Mises屈服准则被使用,这个选项一般用于初始各向同性材料的大应变问题。需要输入的常数与BKIN选项相同。
(3)多线性随动强化(MKIN)
使用多线性来表示应力-应变曲线,模拟随动强化效应,这个选项使用Von Mises屈服准则,对使用双线性选项(BKIN)不能足够表示应力-应变曲线的小应变分析很有用。
需要的输入包括最多五个应力-应变数据点(用数据表输入),可以定义五条不同温度下的曲线。在使用多线性随动强化时,可以使用与BKIN相同的步骤来定义材料特性,所不同的是在数据表中输入的常数不同。
(4)多线性等向强化(MISO)
使用多线性来表示使用Von Mises屈服准则的等向强化的应力-应变曲线,它适用于比例加载的情况和大应变分析。需要输入最多100个应力-应变曲线,最多可以定义20条不同温度下的曲线。
其材料特性的定义步骤如下:
1.定义弹性模量
2.定义MISO数据表
3.为输入的应力-应变数据指定温度值
4.输入应力-应变数据
5.画材料的应力-应变曲线
与MKIN数据表不同的是,MISO的数据表对不同的温度可以有不同的应变值,因此,每条温度曲线有它自己的输入表。

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