ANSYS培训ppt课件

对线弹性材料特性， 可指定各向同性或正交各向异性特性 (EX， EY， EZ 等)
Hill 准则不描述强化; 它仅描述屈服准则。Hill 势与等向、随动和混
合强化模型相结合。
在这些模型中， von Mises 用作 ‘参照’ 屈服应力。Hill 模型则用来确定六个
方向的实际屈服应力值。
s3
粘塑性 ：高温金属 蠕变：数十种蠕变模型，显式&隐式，
与弹塑性联合使用 非线性弹性 粘弹性：玻璃类、塑料类材料 超弹性：各种橡胶类、泡沫类材料 膨胀：核材料 混凝土材料 ……
弹性回顾: • 讨论塑性之前，先回顾一下金属的弹性。
– 弹性响应中，如果产生的应力低于材料的屈服点，卸 载时材料可完全恢复到原来的形状。
3
1 2 3
1
从轴 1=2=3 的角度看，von Mises 屈服准则如下所示。
s3
s
塑性 弹性
s1
主应力空间
sy
e
s2 单轴应力－应变
15
缺省时，所有的率无关塑性模型采用 von Mises 屈服准则，除非另外说明。
双线性等向强化 (BISO) 多线性等向强化 (MISO) 非线性等向强化 (NLISO) 双线性随动强化 (BKIN) 多线性随动强化 (KINH & MKIN) Chaboche 非线性随动强化 (CHAB)
规定屈服面的修正:
后继屈服面
– 随动 强化。
2
• 屈服面大小保持不变， 并
初始屈服面
沿屈服方向平移。
1
– 等向 强化。
后继屈服面
• 屈服面随塑性流动在所有方 2 向均匀膨胀。
初始屈服面
1
• 对于小应变循环载荷， 大多数材料显示出随动 强化行为。
22
随动强化
单轴试件随动强化的应力-应变行为是:
16
另一个有用的屈服准则是 Hill 准则，它是各向异性
(von Mises 是各向同性)。 Hill 准则可看作是 von Mises 屈服准则的延伸。 Hill 准则可写为：
o
H
x y
2 F y z
2 G x z
2

2
N
2 xy
true = (1 + )
29
材料属性 – 双线性随动强化:
双线性随动强化(BKIN)用双线性的应力-应变 曲线表示，包括弹性斜率和剪切模量。采用 随动强化的 Mises屈服准则，因此包括包辛
格效应。该选项可以用于小应变和循环加载
的情况。

y
ET
双线性随动强化所需的输入数据是弹性 模量E、屈服应力y 和剪切模量ET。
一个常用的屈服准则是 范 米赛斯 屈服准
则。只要变形的内能(等效应力)超过一定值， 就会发生屈服。 范米赛斯等效应力定义为:
e
1 2
1
2 2

2 3 2
3 1 2
式中 1 、2 和 3 是主应力。 当等效应力
超过材料的屈服应 e力时 y，屈服发生：
– 从金属的观点看，这种行为是因为延伸但没有破坏原 子间化学键。因为弹性是由于原子键的延伸，所以是 完全可恢复的。而且这些弹性应变往往是小的。
– 金属的弹性行为最常用虎克定律的应力应变关系描述:
E
塑性回顾:
• 塑性金属中也会遇到非弹性或塑性响应。
–超过屈服应力是塑性区域，塑性区域中卸载后残 留一部分永久变形。
对于正交各向异性材料，需要根据材料数据的来源确定数据的输入方式。 但是对于各向同性材料来说，选择PR*或NU*来输入泊松比是没有任何区 别的。
4
ANSYS材料库： …\ansys90\matlib\
用户自定义材料库
--练习
5
弹塑性： 多种屈服准则： Mises、Hill、广义Hill 、 Drucker-Prager、Mohr-Coulomb 多种强化方式： 随动、各向同性、混合 双线性、多线性
– 延性金属支持比弹性应变大得多的塑性应变。
– 弹性变形实质上独立于塑性变形，因此产生的超过 屈服点的应力仍产生弹性和塑性应变。因为假设塑 性应变不可压缩，所以材料响应随着应变增加变为
几乎不可压缩 。

屈服点 y
卸载
弹性
塑性

率无关塑性:
• 如果材料响应和载荷速率或变形速率无关，称
材料为率无关 。
’
y
2y

24
等向强化
等向强化单轴试件应力-应变行为是:

注意压缩的后继屈服应力等于
’
拉伸时的达到的最大应力。
y
等向强化经常用于大应变或比
2’
例 (非周期)加载的模拟。

25
曲线形状
ANSYS塑性模 型支持三种不同的曲线形状:
双线性

多线性

非线性
26
ANSYS程序有许多塑性选项， 允许将给定

2L
2 yz

2M
2 xz
六个常数（Rxx， Ryy， Rzz， Rxy， Ryz， Rxz ）表示 Hill 屈服准则的特性:
G
H

1 Rx2x
F

H

1
R
2 yy
N

3 2Rx2y
3 L 2Ry2zRxxFra biblioteky xx
o
Ryy

y yy
o
Rxy Ryz
3

y xy
o
3


注意压缩时的后继屈服减小量等于拉
’ y
伸时屈服应力的增大量， 因此这两
种屈服应力间总能保持 2y 的差值。
(这叫做 Bauschinger 效应 。)
2y
随动强化通常用于小应变、循环加载 的情况。

23
… 随动强化:
初始各向同性材料在屈服并经历随动强化后 不再是各向同性。
随动强化模型不适合于非常大的应变的模拟。
1
定义材料性质时， 首先给出弹性材料性质 (EX、PRXY 等)。
然后给出非线性材料性质。
T1
屈服点
T2
T3
EX
2
各向同性材料：
EX必须输入 泊松比（PRXY或NUXY）默认为0.3
GXY＝ EX/(2(1+NUXY))
正交各向异性材料
所有参数必须输入（EX， EY， EZ， (PRXY， PRYZ， PRXZ， or NUXY， NUYZ， NUXZ)， GXY， GYZ， and GXZ )，无默认值
Hardening
Multilinear
MKIN von Mises
Associative
Kinematic Multilinear
Kinematic
KINH
Hardening
Bilinear
BISO von Mises
Associative
Isotropic Bilinear
Isotropic
Hardening
e
s3yc
s1
主应力空间
s2 单轴应力-应变
20
强化规律: 强化规律 描述初始屈服准则如何随不断发展
的塑性应变变化。强化规律描述在塑性流动 过程中屈服面如何变化。
如果继续加载或者反向加载，强化规律确定 材料何时将再塑次性 屈服。
弹性
加载后的屈服面 初始屈服面
21
… 强化规律:
ANSYS 所用的基本强化规律有两个，用于
13
若在 3D 主应力空间中画出， von Mises 屈服面是一个 圆柱体。
2
圆柱体以1=2=3 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 (1=2=3)， 再 大的静水压力也不会引起屈服。 从另一个角度看，偏离 (1=2=3) 轴的应力参与计算 von Mises 应力 {s}。
材料的强化规律、曲线形状和率相关等紧
Name
Label
Yield
Flow Rule Hardening Material
密地匹配起来。 Bilinear
Criterion BKIN von Mises
Associative
Rule Response Kinematic Bilinear
Kinematic
– 低温时(< 1/4 或 1/3 的熔点温度)大多数材料呈现率 无关行为和低应变速率。
增量塑性理论 给出一种描述应力增量和应
变增量 (D 和D) 的数学关系， 用于表示 塑性范围内的材料行为。 在增量塑性理论中， 有三个基本组成部分:
屈服准则 流动准则 强化规律
11
屈服准则
一般各向异性材料
直接输入弹性（或柔度）矩阵
3
PRXY和NUXY的意义、区别：
PRXY为主泊松比，指的是在单轴作用下，X方向的单位拉（或压）应变所 引起的Y方向的压（或拉）应变。
NUXY为次泊松比，它代表了与PRXY成正交方向的泊松比，指的是在单轴 作用下，Y方向的单位拉（或压）应变所引起的X方向的压（或拉）应变。
s
s2
s2y
s3
s3y
e
s1
主应力空间
s2
单轴 应力-应变
18
广义 Hill 势与 Hill 势相似，区别如下:
广义 Hill 供非均质材料用 (拉伸和压缩屈服比率 不同)。
直接输入不同方向的屈服应力 (应力单位)，不是 屈服应力比率 (无量纲)。
强化规律是双线性等向强化。 已经内置于材料 定义中，所以不用发出TB，BISO 命令。 无需指定额外的强化准则。
y yz
o
F
G

1 Rz2z
M

3 2Rx2z
Rzz

y zz
o
Rxz
3

y xz
o
17
Hill 准则需要通过简单试验 确定6 个常数。
前面的常数（Rxx， Ryy， Rzz， Rxy， Ryz， Rxz）代表在给定方向的 屈服应力与参照屈服应力(von Mises)的比率。
Drucker-Prager DP
Anand's Model ANAND
Chaboche
CHAB
Hill Anisotropic HILL
27
… 材料属性
记住大应变 塑性分析要求输入数据为真实应力-对数应变， 而小应变分析 可以用工程应力-应变数据。
应力
真实 工程
应变
如果所提供的试验数据用工程应力-应变度量，那么在将它 输入ANSYS 进行大应变分析之前，必须转换为真实应力-对 数应变数据。
对于单向拉伸试件，通过比较轴向应力与材 料屈服应力，可以确定是否屈服。然而，对 于多向应力状态， 有必要去定义一个屈服 准则。
屈服准则 是应力状态的单值(标量)度量，可
以很容易地与单轴试验的屈服应力相比较。 因此如果知道应力状态和屈服准则，程序就 能确定是否会发生塑性应变。
12
… 屈服准则:
输入步骤与 BKIN 模型相同。
31
… 多线性随动强化 – 固定表 (MKIN):
MKIN 选项用 Besseling 或 底层模型 (见
下面我们在ANSYS中来介绍材料定义的过程
y

30
材料属性 – 多线性随动强化:
多线性随动强化有两个选项: MKIN (固定表) 和 KINH (通用)。 两种材料模型都用多线性 的应力-应变曲线模拟随动强化效应。 这些 选项用 Mises 屈服准则， 对金属的小应变 塑性分析有效。M应K力IN-应和变K数IN据H点都定通义过，输入弹弹性性模模量量(E和)的
Multilinear
MISO von Mises
Associative
Isotropic Multilinear
Isotropic
Hardening
Voce Nonlinear NLISO
Isotropic
这些塑性选项在高级结构非线性 培训手
Hardening Anisotropic
ANISO 册中讨论。
28
… 材料属性:
然而， 在小应变水平，工程应力-应变值 与真实应力-对数应变值几乎恒等。
因此，真实应力-对数应变数据可用于一般情况。
如果所提供的实验数据用真实应力-对数应变计 量， 那么在输入 ANSYS 之前，即使对小应变 分析也不需要转换为工程应力-应变。
l = ln (1 + )
假设和温度无关。 不支持 18x 单元。
19
广义 Hill 势理论的屈服面可看作是在主 应力空间内移动了的变形圆柱体。
由于各向异性(不同方向屈服不同)，所以圆 柱屈服面变形 (Hill 准则)。
因为屈服在拉伸和压缩中可指定为不同，
所以圆柱屈服面被初始移动。
s3
s
s3 s3yt
–如果考虑在分子层次上发生了什么，塑性变形是 由于剪切应力(偏差应力)引起的原子平面间的滑 移引起的。位错运动的实质是晶体结构中的原子 重新排列得到新的相邻元素，从而导致不可恢复 塑性应变。
–值得注意的是，与弹性不同，滑移不会引起任何 体积应变 (不可压缩条件)。
塑性回顾 (续):
– 因为塑性处理由于位移引起的能量损失，所以它是 非保守(路径相关) 过程。