1、Workbench Mechanical 结构非线性,第五章 金属塑性,章节概述,这章包含以下内容: 弹性/塑性背景知识 理论 屈服准则 强化准则 一般过程 作业本章描述的性能通常适用于ANSYS Structural 或以上的license.例外情况会根据需要说明,A. 金属塑性综述,什么是塑性? 当延性材料承受的应力超过其弹性极限时就会屈服产生永久大变形. 塑性是指材料响应超过屈服极限. 塑性对金属成形非常重要. 对于在役结构, 塑性作为能量吸收机构很重要. 小塑性变形时就会破坏的材料是脆性材料. 延性响应在多数情况下比脆性响应安全.本章将通过定义特定术语来回顾塑性的基础知识.,弹性回顾:
2、 在讨论塑性前，有必要复习一下金属弹性. 对弹性响应，如果产生的应力低于材料的屈服极限，当卸载后，材料会完全恢复到初始状态。 从金属的观点来说，这种行为是拉伸而不是破坏原子间的化学键 。因为弹性是由于原子键拉伸所造成的，因此可以完全恢复，另外弹性应变应该较小。 金属材料的弹性行为通常由应力应变关系的胡克定律来描述:,. 金属塑性综述,塑性回顾: 塑性变形是由于剪应力（偏移应力）所造成的原子平面的滑动而引起的。这种错位移动本质上是原子在晶体结构重新排列 造成卸载后不可恢复的应变或永久变形. 不像弹性，滑动通常不会带来体积应变（不可压缩条件）,. 金属塑性综述,速率无关的塑性: 如果材料的响应与加
3、载或变形的速率无关, 那么这种材料就是速率无关的. 大多数金属材料在低温下呈现与速率无关的行为和低应变率 ( 1/4 或 1/3 融化温度）.工程和真实的应力应变: 工程应力应变可以用于小应变分析，而塑性分析必须使用真实的应力应变, 因为它们更能代表材料的状态.,.金属塑性综述,工程和真实应力应变 (续): 用户可以采用下列的近似方法来将工程应力应变数据转换为真实的应力应变值: 达到屈服应变的两倍以前: 达到颈缩以前: 注意，下列假设仅针对应力转换: 材料不可压缩(为大应变可接受的近似) 假设试件横截面应力为均匀分布. 超过颈缩: 在瓶颈处没有工程和真实应力应变的转换公式。 必须对截面进行测量
4、.,.金属塑性综述,B. 屈服准则,屈服准则:屈服准则试用来联系多轴和单轴应力状态.试件的拉伸试验提供单轴数据，可以很容易的绘制一维应力应变曲线就像本节前面所提供的那样.实际结构一般是多轴应力状态。屈服准则提供材料应力状态的标量不变量，可以和单轴情况对比.,一般而言，一个应力状态可以分为两部分。 静水应力 - 产生体积变化. 偏应力 - 产生角度扭转.,. 屈服准则,应力状态 (其中: s1 = s2 = s3),静水应力 (p) 只引起体积变化,偏移应力只导致角度扭转,p,s2,s3,s1,p,s2 - p,p,s1 - p,s3 - p,=,+, 屈服准则,Von-Mises屈服准则预测屈
5、服的出现，只要单位体积的扭转能量等于同样单轴应力到达屈服强度体积的扭转能量. 从这个理论出发，一个标量不变量 (von Mises equivalent stress) 表达如下:当 von Mises等效应力超出了单轴材料屈服强度，总体的屈服会出现.,. 屈服准则,若在 3D 主应力空间中画出, von Mises 屈服面是一个圆柱面.,圆柱体以s1=s2=s3 为轴排列.注意如果应力状态在圆柱体内，不发生屈服。这意味着如果材料在静水压力下 (s1=s2=s3)，再大的静水压力也不会引起屈服。 从另一个角度看，偏离(s1=s2=s3) 轴的应力参与计算 von Mises 应力 s。, 屈服
6、准则,在柱面（圆）边缘，屈服会出现. 没有应力状态能够存在于柱体之外. 然而，硬化准则会描述柱体关于屈服如何改变,C. 强化准则,强化准则描述初始屈服准则如何随不断发展的塑性应变变化.强化准律描述在塑性流动过程中屈服面如何变化（大小，中心，形状）. 强化准则决定什么时候材料会随加载或卸载再次屈服. 这与呈现无硬化 即屈服面保持固定的理想弹塑性材料形成对比.,弹性,塑性,加载后的屈服表面,初始屈服表面,有两个基本强化规则描述了屈服面的改变:,2,初始屈服面,1,后续屈服面,随动强化. 屈服面大小保持常数且向屈服方向传递. 等向强化. 屈服面随塑性流动在各个方向均匀扩张.,2,初始屈服面,1,后续
7、屈服面,多数金属材料对小应变加载循环呈现随动强化行为., 强化准则,线性随动强化的应力-应变行为描述如下:后续屈服压缩减少量就是拉伸屈服应力增加量，因此屈服点间2y 的差距总是会保持. (这就是著名的包辛格效应.),e,2,1,3,2sy,sy,s,初始屈服面,后续屈服面,a, 随动强化,一个初始等向强化的材料在屈服和经历随动强化之后不再各向同性. 对于大应变的模拟，由于包辛格效应随动强化模型不再合适。 随动强化一般用于小应变的循环加载., 随动强化,等向强化指屈服面在塑性流动期间均匀扩张。等向 一词指屈服面的均匀扩张，不同于 各向同性 屈服准则 (即材料取向),e,3,2,1,2s,sy,s
8、,初始屈服面,后续屈服面, 等向强化, 等向强化,绘制应力应变曲线可以方便的了解在加载和反向加载过程中的变化:,注意在随后的屈服压缩中，最大应力等于拉伸阶段的最大应力. 等向强化通常用于大应变和比例加载分析。它通常不适用于循环载荷.,D. 材料数据输入,曲线形状 两种不同的应力应变stress-strain曲线表示:,必须提供线弹性材料属性 与线弹性静力结构分析相同，至少应定义杨氏模量和泊松比.金属塑性可以作为非线性材料模型定义. 这将在下面讨论. 其它非线性本构模型可以通过 Command Objects添加 只有 ANSYS Professional NLS及其以上licenses支持非线
9、性材料.,. 材料数据输入,要添加金属塑性, 首先到项目示图区操作。高亮显示Engineering Data，然后双击或点击鼠标右键并点击Edit,.材料数据输入,打开Engineering Data对话框，添加并编辑各种和激活项目相关的材料属性.,. 材料数据输入,从工具箱, 打开 plasticity: 加亮显示金属塑性模型 (下面例子中, 选择了双线性各向同性) 在材料模型中点击右键并点击 “Include Property”双线性等向强化模型将出现在属性对话框.黄色空盒供用户定义屈服强度和切向模量.,. 材料数据输入,定义屈服强度和切向模量后, 数据会自动图形显示供查看:,. 材料数据
10、输入,多线性等向或随动强化模型也可以以相似的过程定义和校正 :,. 材料数据输入,多线性等向或随动强化模型也支持温度相关的属性,. 材料数据输入, Mechanical中塑性总结,金属塑性可处理弹性和非弹性 (永恒)变形.非弹性或塑性变形出现在应力高于屈服强度的时候。卸载时总是会有可恢复应变（弹性应变）应力-应变曲线是基于单轴试验标量数据。一个系统可能处于一个多轴应力的状态， 所以 Simulation 用 Mises 屈服准则使多轴应力状态和单轴的标量数据相关联。这种情况下，应提供真实应力应变数据。在屈服发生以后,屈服点会由于应变强化而增大。这改变了屈服面，改变的方式是由等向强化或随动强化假设决定。应力-应变曲线可以用一条双线性或多线性曲线描述.,请参考作业中的补充说明: 作业5A-金属塑性,E. 作业 金属塑性,请参考作业中的补充说明: 作业5B 局部屈服,. 作业 金属塑性,
