例16 蠕变过程的模拟
abaqus蠕变模型 双曲正弦法则
文章题目：深入探讨abaqus蠕变模型与双曲正弦法则在工程领域中，蠕变现象一直是一个备受关注的话题。
而abaqus蠕变模型与双曲正弦法则作为研究和应用领域的重要组成部分，对于深入理解和分析蠕变现象都具有重要意义。
本文将从简到繁，由浅入深地讨论abaqus蠕变模型和双曲正弦法则，帮助读者更深入地理解这一主题。
1. abaqus蠕变模型abaqus蠕变模型是指在abaqus有限元分析软件中用来描述材料发生蠕变现象的模型。
蠕变是指在给定应力条件下，材料在持续加载下逐渐发生变形的性质。
在abaqus中，蠕变模型能够较好地预测材料在长期荷载作用下的变形和破坏行为，是工程实践中不可或缺的工具。
在abaqus中，蠕变模型通常采用粘塑性模型或本构模型来描述材料的蠕变行为。
它考虑了应力、时间和温度等多种因素对材料蠕变性能的影响，可以很好地模拟出材料在实际工况下的蠕变变形。
通过abaqus蠕变模型的建立和分析，工程师可以更好地了解材料的蠕变特性，从而设计出更加可靠和安全的工程结构。
2. 双曲正弦法则双曲正弦法则是描述材料蠕变现象的重要数学模型之一。
它基于实验数据和理论分析，将蠕变应变和时间之间的关系用双曲正弦函数进行描述，能够较好地预测材料在蠕变条件下的变形行为。
双曲正弦法则的提出，为工程实践中的蠕变问题提供了理论支持，对于材料蠕变性能的研究具有重要意义。
在双曲正弦法则中，蠕变应变随时间的变化服从双曲正弦函数的规律，这一规律在预测材料长期蠕变行为时表现出较高的准确性和可靠性。
通过双曲正弦法则，工程师可以更好地理解蠕变现象，并为工程结构的设计和使用提供更加可靠的依据。
总结回顾通过本文的讨论，我们深入探讨了abaqus蠕变模型与双曲正弦法则。
abaqus蠕变模型作为预测材料长期荷载下变形行为的工具，在工程实践中具有重要意义。
它考虑了多种因素对材料蠕变性能的影响，能够较好地模拟出材料的蠕变行为。
双曲正弦法则则是描述蠕变现象的重要数学模型，通过描述蠕变应变和时间之间的关系，为预测材料在蠕变条件下的变形行为提供了理论支持。
蠕变
图a－为晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割时形成的空洞。 图b－为晶界上存在第二相质点时，当晶界滑动受阻而形成 的空洞，空洞长大并连接，便形成裂纹。 在耐热合金中晶界上形成的空洞照片，如图。
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以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。 可见，晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重 要的。裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞 连接而扩展，最终导致沿晶断裂。 由于蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态、晶界 上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小及晶粒度的均匀性等对蠕 变断裂均会产生很大影响。
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（一）合金化学成分的影响 位错越过障碍所需的激活能（蠕变激活能）越高的金属，越 难产生蠕变变形。 实验表明：纯金属蠕变激活能大体与其自扩散激活能相近。 因此，耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活 能大或层错能低的金属及合金。 这是因为： 在一定温度下，熔点越高，自扩散激活能越大，其自扩散越 慢。 熔点相同，但晶体结构不同，则自扩散激活能越高，扩散越 慢。
700 例如， 110 30MPa
3
表示该合金在700℃、1000h的持久强度为30MPa。 试验时，规定持续时间是以机组的设计寿命为依据的。 例如，对于锅炉、汽轮机等，机组的设计寿命为数万以至数 十万小时，而航空喷气发动机则为一千或几百小时。
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持久强度： 对于设计在高温运转过程中不考虑变形量大小，而只考虑在 承受给定应力下使用寿命的机件（如锅炉道热蒸气管）是极 其重要的性能指标。
典型的蠕变曲线
12
从a点开始随时间τ增长而产生的应变属于蠕变，abcd曲线 即为蠕变曲线。 蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率。 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段：
ABAQUS蠕变问题计算流程
蠕变问题计算流程为了简化塑料结构蠕变问题的计算(如降低蠕变应变与其他非弹性应变的耦合程度)，可以将该分析问题分成一个静态加载的过程，然后再进行蠕变过程的分析。
1．静态加载过程的计算静态加载过程就是一与时间无关的加载过程，使用ABAQUS/Standard时主要是在中设置，如图1所示。
图1在中可以用于设置静态分析的几何非线性，设置增量步的增长等。
2． 蠕变过程的计算在通过步骤1的静态分析后，结构中将产生一个应力场，接下来可以进行蠕变过程的计算。
蠕变过程的计算主要分为两个过程：获得该结构材料的蠕变模型参数和建立蠕变分析步。
1) 获得材料的蠕变模型参数目前ABAQUS 蠕变模型有三种，分别是Power-law model 和Hyperbolic-sine law model 。
其中Power-law model 有两种形式为Time hardening form 和Strain hardening form 。
其中Time hardening form 形式最为简单，对于简单的蠕变过程（如蠕变过程应力变化范围不太大）是比较适用的，式(1)为其微分形式：m n cr t q A ~=ε(1) 其中crε为等效蠕变应变率，为cr cr εε:32； n q~为等效偏应力； t 为时间。
m n A ,,分别为常数项，用于表征该材料的蠕变特性。
常见的材料蠕变曲线族如图2所示：图2由于图2中表征的是蠕变应变与时间和等效应力的关系，故必须对公式(1)积分，积分结果见公式(2)：1~1++=m n cr t q mA ε (2) 其中0>n ，10->≥m 。
然后可以用公式（2）拟合图2中的曲线族获得合适的三个参数。
表征材料蠕变特性的三个参数确定后，通过ABAQUS/CAE 的添加材料的蠕变特性，如图3所示：图32) 蠕变计算由于蠕变是一个时间相关的过程，因此必须计入时间。
同时蠕变又是一个惯性效应不明显的过程，即结构的加速度效应不用考虑。
金属的力学性能—蠕变及蠕变(航空材料)
蠕变及蠕变断裂 的定义
蠕变及蠕变—疲劳断裂
蠕变：材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。 （材料在应力和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系） 原因：在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小， 故变形抗力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过 程中，因温度较高，不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故 变形可持续缓慢地进行下去
蠕变的原因
蠕变的原因
蠕变：材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。（材料在应力 和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系） 原因：在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小，故变形抗 力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过程中，因温度较高， 不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故变形可持续缓慢静强度下发生的断裂相比，它有以下特点： （1）在一般的静强度试验中，材料的塑性通常是随试验温度的升高而 增大，但在高温下以很缓慢的速率变形时（即蠕变试验条件），即使在 室温下为高延性的材料，它也可能发生低延性断裂
（2）蠕变断裂过程中的变形随时间的变化 曲线，通常分为三个阶段（图1所示）：第 Ⅰ阶段应变随时间而递增，但应变速率随时 间呈现非稳定递减状态（减速蠕变阶段）； 第Ⅱ阶段是应变随时间恒定变化的稳定阶段， 即应变速率基本保持不变（恒速蠕变阶段）； 第Ⅲ阶段是应变速率随时间而递增的非稳定 阶段（加速蠕变阶段），最后导致断裂
图1 蠕变断裂的三个过程
图1是一种典型的蠕变曲线，但并非在所有情况下材料的蠕变曲线均 由三个阶段组成。如在高温或高应力下，材料没有第Ⅰ阶段而只有第Ⅱ、Ⅲ 阶段，或只有第Ⅲ阶段就很快发生断裂；而在有些情况下，材料只有第Ⅰ、 Ⅱ阶段，随后便发生断裂
蠕变及机制
（1）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。 ）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。 原因：气孔 减少抵抗蠕变的有效截面积 减少抵抗蠕变的有效截面积。 原因：气孔-减少抵抗蠕变的有效截面积。 （2）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。 ）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。 原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加， 原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩 散及晶界流动加强。 散及晶界流动加强。 3） 玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。 （3） 玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。 原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大， 原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大， 蠕变率增大。 蠕变率增大。 说明粘性流动对材料致密化的影响：材料在高温烧 说明粘性流动对材料致密化的影响： 结时，晶界粘性流动， 结时，晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发生的 形变，即实现材料致密化。 形变，即实现材料致密化。
延 伸 率
温 度 或 应 力
时间 温度和应力对蠕变曲线的影响
2.3.2 蠕变机理
蠕变机理分为两大类： 蠕变机理分为两大类： 晶界机理------多晶体的蠕变； 多晶体的蠕变； 晶界机理 多晶体的蠕变 晶格机理------单晶蠕变，但也可能控制着多 单晶蠕变， 晶格机理 单晶蠕变 晶的蠕变过程。 晶的蠕变过程。
2.3.3 影响蠕变的因素 1. 温度、应力（外界因素） 温度、应力（外界因素） 2. 晶体的组成 结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的 结合力越大，越不易发生蠕变， 材料具有好的抗蠕变性。 材料具有好的抗蠕变性。 例如碳化物、硼化物。 例如碳化物、硼化物。 3. 显微结构 材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。 材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。
稳定态条件下，纳巴罗－赫润计算蠕变速率（蠕变率）： 稳定态条件下，纳巴罗－赫润计算蠕变速率（蠕变率）： 体扩散（通过晶粒内部）蠕变率： σΩDv/(kTd2) 体扩散（通过晶粒内部）蠕变率：U=13.3 σΩ 晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率： σδΩD 晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率： U=47σδΩ b/(kTd3) σδΩ 式中： 晶界的宽度 晶界的宽度； 体扩散系数； 式中：δ---晶界的宽度； Dv ---体扩散系数；Db---晶界扩 体扩散系数 晶界扩 散系数； 晶粒直径。 散系数；d---晶粒直径。 晶粒直径 3 . 晶界蠕变理论 晶界对蠕变速率有两种影响： 晶界对蠕变速率有两种影响： 高温下，晶界能彼此相对滑动， 第一 ， 高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力 得到松弛。 得到松弛。 晶界本身是位错源， 第二 ， 晶界本身是位错源，离晶界约为一个障碍 物间距内的位错会消失。 物间距内的位错会消失。
高温合金循环蠕变实验
No3.2008工程与试验September 2008[收稿日期] 2008-06-26[作者简介] 关逊(1969-),女,助理工程师,从事蠕变实验工作。
刘庆(1961-),男,工程师,从事蠕变实验工作。
郭建亭(1938-),男,研究员。
博士生导师,从事高温合金与金属间化合物的研究。
高温合金循环蠕变实验关 逊,刘 庆,郭建亭(中国科学院金属研究所,辽宁沈阳110016)摘 要:本文利用装配有EDC 数字控制器的高温电子蠕变试验机开展了一种镍基高温合金的循环蠕变实验。
结果表明与恒载荷静态蠕变相比,两种方式(矩形波和锯齿波)载荷循环降低了合金蠕变寿命,但对蠕变塑性并没有影响。
关键词:高温合金;循环蠕变实验;循环载荷中图分类号:T G 132.3文献标识码:ACyclic Creep Experimentation of SuperalloyGuan Xun ,Liu Qing ,Guo Jianting(I nstit ute of M et al Research ,Chi nese A cadem y of S ciences ,L i aoni ng S heny ang 110016)Abstract :The cyclic creep test s of a Nickel 2base superalloy has been conducted on a High Temper 2at ure Elect rical Creep Machine equipped wit h an External Digital Controler (EDC ).Compared wit h t he constant load creep ,t he cyclic load in t he square and sawtoot h waveforms reduces t he creep life ,but has no effect on t he creep ductility of t he testing alloy.K eyw ords :superalloy ;cyclic creep test ;cyclic load1 引言高温合金部件在高温服役期间,往往遭受静态应力和循环应力的联合作用,实际变形过程既不同于静态载荷作用下的纯蠕变变形,也不同于完全循环载荷作用下的纯疲劳变形,而是蠕变与疲劳交互作用的复杂变形过程[1～2]。
蠕变问题
1粘弹性
狭义上来讲粘弹性是材料在加载过程中应力变化与应变，应变率之间关系的描述，也可以称为率依赖问题。如果你想要实现冲击载荷作用下粘弹性材料的反应，这个问题属于率依赖问题，你可以使用两种方法定义材料的力学响应，这就是微分型与积分性本构，虽然微分型本构比较直观明了，平衡方程也好获得，但是一般常用的还是基于遗传积分的积分性本构，毕竟微分型本构在基于时间或者频率离散的有限元方法中难于准确实现。一般的粘弹性本构模型就那几个，比如maxwell，kelvin，剩下的就是它们的串联与并联，如果你有个新模型是n个maxwell串联的，你可以通过遗传积分公式轻易获得松弛模量与蠕变模量。
蠕变与松弛行为是很多材料所共有的力学行为，比如沥青，纤维材料等，蠕变是在应力保持一定的状态下，应变发生变化；松弛刚好相反，应变保持一定的状态下，应力发生变化。很多初学者往往认为蠕变和松弛就是粘弹性，这个观点存在错误。粘弹性更多的是与加载过程中的材料反应具有联系，而蠕变与松弛往往是材料在加载完成能够以后的力学反应。举例来说明一下。
本帖最后由 敦诚 于 2009-8-4 14:11 编辑
自从上学以后管理论坛的时间少了，发言回答问题的时间也少了，主要的精力都是忙于做实验和学习新的专业理论，可能是由于转行的原因吧，要学的内容太多，不会的知识也太多了，现在转行到了土木方向，接触粘弹性问题也是越来越多了，以前本人是搞损伤断裂，对于这方面接触比较少，也不太爱学。现在是“与时俱进”，开始新的研究方向，所以恶补了一段时间，和大家交流一下学习感受，要是有什么不对的也请大家拍砖啊！！呵呵呵
*VISCOELASTIC, TIME= define1*VISCOELASTIC, FREQUENCY= define2其中define1，define2分别为数据定义方式，详细的可参考Abaqus Analysis User's Manual 18.7 Viscoelasticity。
蠕变分析——精选推荐
蠕变分析4.4蠕变分析4.4.1 蠕变理论4.4.1.1 定义蠕变是率相关材料⾮线性，即在常荷载作⽤下，材料连续变形的特性。
相反如果位移固定，反⼒或应⼒将随时间⽽变⼩，这种特性有时也称为应⼒松驰，见图4-18a。
图4-18应⼒松弛和蠕变蠕变的三个阶段如图4-18b所⽰。
在初始蠕变阶段，应变率随时间⽽减⼩，这个阶段⼀般发⽣在⼀个相当短的时期。
在第⼆期蠕变阶段，有⼀个常应变率，所以应变以常速率发展，在第三期蠕变阶段，应变率迅速增加直到材料失效。
由于第三期蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，我们感兴趣的是初始蠕变和第⼆期蠕变。
ANSYS程序中的蠕变⾏为⽤来模拟初始蠕变和第⼆期蠕变。
蠕变系数可以是应⼒、应变、温度、时间或其它变量的函数。
在⾼温应⼒分析中(如核反应堆等)，蠕变分析⾮常重要。
例如，假设在核反应堆中施加了预荷载，以保证与相邻部件保持接触⽽不松开。
在⾼温下过了⼀段时间后，预荷载将降低(应⼒松驰)，可能使接触部件松开。
对于⼀些材料如预应⼒砼，蠕变也可能⼗分重要。
最重要的是要记住，蠕变是永久变形。
4.4.1.2 理论介绍蠕变⽅程：我们通过⼀个⽅程来模拟蠕变⾏为，此⽅程描述了在实验中观测到的主要特征（特别是在⼀维的拉伸实验中）。
这个⽅程以蠕应变率的⽅式表⽰出来，其形式如下：上式中，A、B、C、D是从实验中得到的材料常数，常数本⾝也可能是应⼒，应变，时间或温度的函数，这种形式的⽅程被称为状态⽅程。
上式中，当常数D为负值时，蠕应变率随时间下降，材料处于初始蠕变阶段，当D为0时，蠕应变率为常值，材料处于第⼆期蠕变阶段。
对于2－D或3－D应⼒状态，使⽤VON Mises⽅程计算蠕应变率⽅程中所使⽤的标量等效应⼒和等效应变。
对蠕变⽅程积分时，我们使⽤经过修改的总应变，其表达式为:经过修改的等效总应变为:其等效应⼒由下式算出：其中：G=剪切模量＝等效蠕应变增量由程序给出的某⼀种公式进⾏计算，⼀般为正值，如果在数据表中，则使⽤的是衰减的蠕应变率⽽不是常蠕变率，但这个选项⼀般不被推荐，因为在初始蠕变所产⽣的应⼒为主的情况下，它可能会严重的低估蠕变值。
蠕变的三种形变
蠕变的三种形变蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
蠕变过程主要包含以下三种形变：一、瞬时弹性形变1. 概念- 在施加应力的瞬间，材料会发生弹性形变，这与材料的弹性性质有关。
这种形变符合胡克定律，应力与应变成正比，即σ = Evarepsilon（其中σ为应力，E为弹性模量，varepsilon为应变）。
- 例如，对于金属材料，当施加一个拉力时，原子间的距离会瞬间发生弹性变化，就像拉伸弹簧一样，一旦外力消失，这种形变能够完全恢复。
2. 特点- 发生迅速，在应力施加的同时就产生。
- 形变程度与所施加的应力大小成正比。
- 具有完全可逆性，当应力去除后，材料能够立即恢复到原来的形状和尺寸。
二、粘性流动形变1. 概念- 随着时间的推移，在应力持续作用下，材料内部的原子或分子会像流体一样发生缓慢的相对滑动，这种形变类似于流体的粘性流动。
- 从微观角度来看，对于聚合物材料，链段之间会逐渐发生相对位移。
例如，在高温和长时间应力作用下的沥青，就会表现出明显的粘性流动。
2. 特点- 与时间有关，随着时间的增加，粘性流动形变不断增大。
- 应力与应变速率成正比，符合牛顿粘性定律σ=eta(dvarepsilon)/(dt)（其中eta为粘度）。
- 这种形变是不可逆的，一旦发生了粘性流动形变，即使应力去除，材料也不能恢复到原来的形状。
三、塑性形变（永久形变）1. 概念- 当应力超过材料的屈服强度时，材料会发生不可恢复的永久性形变。
在蠕变过程中，随着时间的增加，材料内部的位错等缺陷不断运动、增殖，导致材料产生塑性变形。
- 例如，金属材料在高温下承受一定应力时，位错会克服晶格阻力而移动，使材料发生形状改变，如金属在高温下被拉伸时，会逐渐变细变长，这种形变在应力去除后不会消失。
2. 特点- 不可逆性，是材料内部结构永久性改变的结果。
- 通常与材料的屈服行为相关，只有当应力达到一定水平才会显著发生。
分子动力学蠕变
分子动力学蠕变
蠕变是一种材料在高温和高应力环境下发生的塑性变形现象。
通过分子动力学模拟，我们可以更好地理解蠕变的本质和机制。
首先，蠕变是由原子或分子的运动引起的。
在高温下，原子或分子具有足够的能量来克服相互作用力，从而发生位置的改变。
这个过程被称为原子扩散。
在高应力的作用下，原子或分子会沿着应力方向移动，导致材料产生塑性变形。
为了研究和模拟蠕变现象，分子动力学模拟是一种常用的方法。
在这个模拟中，材料被建模为一组粒子，每个粒子代表一个原子或分子。
通过施加合适的力场和势能函数，模拟中的粒子会根据牛顿运动定律进行运动。
通过观察粒子的运动轨迹和相互作用，我们可以获得关于蠕变的重要信息。
在进行分子动力学模拟时，需要注意一些关键因素。
首先，模拟所使用的力场和势能函数应该准确地描述材料的物理特性和相互作
用。
其次，模拟中的时间步长和模拟时间应该足够小和足够长，以确保精确的结果。
此外，模拟中的温度和应力也需要根据实际情况进行合理选择。
通过分子动力学模拟，我们可以研究不同材料在不同条件下的蠕变行为。
例如，我们可以研究金属材料在高温和高应力下的蠕变速率和变形机制。
这些研究对于改进材料的抗蠕变性能和设计更耐久的结构具有重要意义。
综上所述，分子动力学模拟是研究和理解蠕变现象的重要工具。
通过模拟粒子的运动和相互作用，我们可以揭示蠕变的本质和机制。
在进行分子动力学模拟时，我们需要注意选择适当的力场和势能函数，以及合理设置模拟参数。
通过这些努力，我们可以为材料科学和工程领域的蠕变问题提供有价值的解决方案。
所以在有限元模拟计算中,利用蠕变本构方程计算热处理过程中的应力松弛行为,
蠕变是指材料在恒定应力或荷载下，随时间的推移而发生形变。
在有限元模拟计算中，利用蠕变本构方程可以计算材料在热处理过程中的应力松弛行为。
蠕变本构方程描述了材料的应力-应变关系，常用的蠕变本构方程有Norton、Dorn和Sherby-Dorn等形式。
在有限元模拟计算中，针对不同材料的蠕变行为，需要选择适当的蠕变本构方程。
这些方程以实验数据为基础，通过曲线拟合等方法得到。
下面是一些常用的参考内容，用于模拟材料在热处理过程中的应力松弛行为。
1.Norton本构方程： Norton本构方程是最早应用于蠕变研究的方程之一，它假设材料的蠕变变形由渐进微裂纹的扩展引起。
Norton方程可以写成如下形式：ε ̇=ε ̇s(σ) 其中，ε ̇为应变速率，ε ̇s为材料的引导应变速率，σ为应力。
Norton方程常用于描述金属和陶瓷等材料的蠕变行为。
2.Dorn本构方程： Dorn本构方程常用于描述塑料材料的蠕变行为，特别是在中高温下。
Dorn方程可以写成如下形式：σ=σ0(1+ε ̇/˙ε0)^n 其中，σ为应力，σ0为参考应力，ε ̇为应变速率，˙ε0为参考应变速率，n为指数。
Dorn方程通过参数σ0和n来描述材料的蠕变行为。
3.Sherby-Dorn本构方程： Sherby-Dorn本构方程适用于金属和合金的高温蠕变行为。
Sherby-Dorn方程可以写成如下形式：ε ̇=Aσ^mexp(-Q/RT) 其中，ε ̇为应变速率，σ为应力，A为常数，m为指数，Q为激活能，R为气体常数，T为温度。
Sherby-Dorn方程通过参数A、m、Q来描述材料的蠕变行为。
除了选择合适的蠕变本构方程外，有限元模拟计算中还需要考虑材料的初始条件、边界条件以及模拟的时间步长等因素。
此外，要进行有限元模拟计算还需要确定材料的杨氏模量、泊松比等弹性性质，这些参数可以通过实验测量或者经验公式来估计。
需要注意的是，蠕变行为是一个复杂的物理过程，受多种因素影响，如温度、应力、时间等。
高速铁路用钢轨的蠕变变形研究与模拟
高速铁路用钢轨的蠕变变形研究与模拟蠕变变形是指材料在长期受到恒定应力或周期应力作用下产生的时间依赖性变形现象。
对于高速铁路用钢轨来说，蠕变变形是一个重要的研究方向。
了解和研究钢轨的蠕变变形特性，对于确保高速铁路的安全运营和延长钢轨的使用寿命具有重要意义。
钢轨的蠕变变形是由于高速列车的运行产生的大量应力和应变，经过长时间的运营使用，钢材内部会出现微观结构的改变，导致蠕变变形发生。
蠕变变形可能会导致钢轨的几何形状发生改变、尺寸缩小和内部应力增加，从而引发许多安全问题，如钢轨的疲劳开裂、脱轨等。
研究和模拟高速铁路用钢轨的蠕变变形有助于我们更好地理解这一现象，并采取相应的措施来改善钢轨的使用寿命和安全性能。
为了准确研究蠕变变形，首先需要建立钢轨的蠕变变形模型。
这个模型可以基于实际的高速铁路使用环境和应力情况，通过数学方法和计算机模拟来描述钢轨在长期运行过程中的蠕变变形行为。
蠕变变形模型的建立需要准确的实验数据作为基础。
通过对不同应力水平下的钢轨进行长期加载试验，并对变形进行监测和记录，可以获取到钢轨的蠕变变形数据。
这些数据可以用来验证和校正模型的准确性，并进一步优化模型的参数和假设。
在进行蠕变变形模型研究时，应考虑以下几个关键因素：一是高速列车运行时的应力加载情况。
高速列车的运行会产生复杂的应力场，钢轨受到的应力分布可能会发生变化。
因此，需要考虑列车的运行速度、重量和轨道的几何形状对钢轨的应力加载产生的影响。
二是材料的蠕变特性。
不同种类的钢材对蠕变变形的敏感性是不同的，因此需要对不同类型的钢材进行研究，探讨其蠕变行为的差异。
此外，钢材的化学成分、热处理工艺和微观结构也会影响其蠕变行为，需要对这些因素进行深入研究。
三是环境因素的考虑。
高速铁路使用的钢轨会受到环境和气候条件的影响，如温度变化、湿度、盐雾等。
这些因素会加剧钢轨的蠕变变形，因此需要将环境因素考虑在内，建立相应的模型以评估其对钢轨蠕变变形的影响。
ansys蠕变应变率命令流
ansys蠕变应变率命令流1.引言1.1 概述概述：蠕变应变是材料在长时间作用下产生的变形现象，它在工程领域具有重要的作用。
蠕变应变率是描述蠕变现象发生速率的参数，它反映了材料在一定应力下产生蠕变变形的能力。
ANSYS是一种常用的工程仿真软件，它提供了许多功能强大的命令流供用户使用。
其中，蠕变应变率命令流被广泛应用于材料蠕变性能的研究和工程实践中。
本文将对ANSYS蠕变应变率命令流进行详细介绍和使用方法的讲解。
通过学习和掌握这一命令流，工程师和研究人员可以更加准确地预测材料在长时间持续加载下的变形情况，为工程设计提供科学依据。
在介绍ANSYS蠕变应变率命令流之前，我们将先简要概述蠕变现象、蠕变应变和蠕变应变率的基本概念。
然后，我们将详细讲解蠕变应变率命令流的使用方法，包括命令的输入格式、参数的设置以及结果的分析等内容。
最后，我们将通过实例的展示和分析，进一步说明蠕变应变率命令流在实际工程中的应用价值。
通过本文的学习，读者将能够全面了解ANSYS蠕变应变率命令流的原理和功能，掌握蠕变应变率命令流的使用方法，并能够灵活应用于工程设计和材料研究中。
同时，本文也将对该命令流存在的一些局限性进行探讨，并对未来的研究方向进行展望。
1.2 文章结构本文主要介绍了ANSYS蠕变应变率命令流的使用方法。
文章共分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分首先概述了本文的主题和目的。
其次，介绍了ANSYS蠕变应变率命令流在工程领域的重要性和应用背景。
最后，明确了本文的目的和意义，即通过详细介绍ANSYS蠕变应变率命令流的使用方法，为读者提供一个全面了解和掌握该技术的指南。
正文部分主要包括两个小节，分别是ANSYS蠕变应变率命令流的介绍和使用方法。
- 在2.1小节中，将详细介绍ANSYS蠕变应变率命令流的背景和原理。
首先，解释了蠕变现象的定义和原因。
接着，介绍了应变率是描述蠕变行为的重要参数。
随后，详细阐述了ANSYS蠕变应变率命令流在工程仿真中的作用和应用范围。
蠕变、应力松弛、滞后、内耗
01聚合物蠕变蠕变在恒定温度、较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象，称为形变。
蠕变过程中包括三种形变：（1）瞬时普弹形变（虎克弹性）特征：施加应力，形变瞬时产生，除去外力，立即恢复。
（2）高弹形变特征：通过链段的运动逐渐展开，形变量大，且形变的发展与时间有关，恢复也是逐渐进行的。
（3）黏性形变——永久变形特征：黏性形变的发展与时间呈线性关系，外力除去后，不能恢复。
例如,软PVC丝悬挂一定重量的砝码,就会慢慢地伸长,解下砝码后,又会慢慢缩回去,这就是典型的蠕变现象。
对于工程塑料,要求蠕变越小越好,对于蠕变严重的材料,使用时需采取必要补救措施。
如硬PVC有良好的抗腐蚀性能,可用于加工化工管道、容器等设备,但它容易蠕变,使用时必须增加支架以防止蠕变.PFTE是塑料中摩擦系数最小的,由于其蠕变现象严重,所以不能用作机械零件,但却是很好的密封材料.为探究GFRP锚杆在循环荷载下的黏结锚固性能，在软岩地基边坡开展GFRP 锚杆现场拉拔试验，通过光纤光栅应变传感器测量技术进行研究。
结果表明:循环荷载作用下锚杆杆体与锚固体的黏结蜕化深度小于锚杆的有效锚固长度,黏结蜕化深度以上锚杆杆体与锚固体界面提供摩擦力,黏结蜕化深度以下提供黏聚力。
当锚固界面受到破坏时，黏聚力将失去作用。
锚杆同-锚固深度处循环荷载作用的次数越多，锚固界面的黏结蜕化现象越严重;不同锚固深度处循环荷载作用的次数越多，黏结蜕化现象反而越不明显。
图7为GFRP锚杆杆体应变时程曲线，表明不同循环荷载对锚杆杆体黏结蜕化作用的影响。
通过多变量控制下的GFRP锚杆静载和反复荷载试验发现:在静载和反复荷载试验下，GFRP锚杆的破坏形式均为杆体拔出破坏;在反复荷载作用下，较少的循环次数对GFRP筋与混凝土黏结强度和锚杆滑移量影响不明显，当在低应力水平、反复荷载循环次数较少时，GFRP锚杆黏结强度退化不显著,反而在一定程度上有所增加;而在高应力反复荷载作用下，GFRP筋与混凝土间的黏结强度降低，黏结性能退化比较明显。
蠕变断裂
1.3 温度及应力对蠕变速率的影响
1）温度的影响
在一定的应力下进行一系列不同温度的蠕变试验，发现在一定应力下稳 态蠕变速率的对数与绝对温度的倒数呈线性关系，可写成如下Arrhenius 关系式：
A1 exp
.
Qc RT
式中，Qc －蠕变表观激活能，A2是与材料特性和应力有关的常数。
晶界在外力作用下会发生相对滑 动。在常温下，可忽略不计，但在高 温下，晶界的相对滑动可以引起明显 的塑性变形，产生蠕变。 对于金属材料和陶瓷材料，晶界 滑动一般是由晶粒的纯弹性畸变和空 位的定向扩散引起的。但前者的贡献 不大，主要还是空位的定向扩散。 对于含有牛顿液态或似液态第二 相物质的陶瓷材料，由于第二相的粘 性流动也可引起蠕变。
?位错滑移和攀移?刃位错攀移图a?螺位错交滑移?正负位错互毁图b?晶界滑动?位错协调图c?扩散协调图d?原子空位扩散图e攀移绕过障碍异号刃型位错攀移互毁不规整晶界滑动及晶内位错运动协调变形晶界滑动及原子在三晶粒交界处扩散空位或原子沿晶界或在晶内扩散2
蠕变断裂
材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象 称为蠕变，由这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。
s A2 exp B
综合温度和应力的影响，有： n skT Qc A s A3 n exp 或 DGb G RT 式中，D－自扩散系数；G－切变模量；b －位错柏氏矢量；k －波尔兹 曼常数。
1.4 晶粒尺寸对蠕变速率的影响 蠕变变形主要由晶内变形和晶界滑动两部分组成。显然，晶粒越细， 晶界滑动对总变形量的贡献就越大。因此，对高温蠕变来说，晶粒细的 蠕变速度较大，随晶粒直径的增加，蠕变速度减小。但晶粒尺寸足够大 以致晶界滑动对总变形量贡献小到可以忽略时，蠕变速度将不依赖于晶 粒尺寸。
交联聚合物的蠕变全过程
交联聚合物的蠕变全过程交联聚合物是一种特殊的高分子材料，具有良好的强度和稳定性。
它在应用中表现出不可忽视的蠕变现象。
蠕变是指材料在长时间受力作用下发生的形变现象。
本文将从交联聚合物的定义、蠕变的原因、蠕变行为及其影响因素等方面进行探讨。
我们来了解一下交联聚合物的基本概念。
交联聚合物是由线性聚合物经过化学交联或物理交联等方法形成的网络结构的高分子材料。
这种网络结构赋予了交联聚合物优异的机械性能和化学稳定性。
然而，正是由于其特殊的结构，交联聚合物在长时间受力作用下会产生蠕变现象。
那么，为什么交联聚合物会发生蠕变呢？蠕变主要是由于聚合物链之间的相互滑动和取向重排引起的。
在受力作用下，聚合物链会发生位移和重排，使得材料整体发生形变。
这种形变是由于聚合物链的长期弛豫导致的，而不是瞬时应变造成的。
蠕变行为可以通过蠕变曲线来描述。
一般来说，蠕变曲线可以分为三个阶段：瞬态蠕变、稳态蠕变和加速蠕变。
瞬态蠕变阶段是指材料在刚开始受力作用下出现的瞬时弹性形变。
稳态蠕变阶段是指材料经过一段时间后达到的稳定蠕变速率。
加速蠕变阶段是指材料在长时间受力作用下蠕变速率逐渐增大的过程。
蠕变行为受多种因素的影响，其中温度和应力是最主要的两个因素。
温度的升高会显著增加聚合物链的运动能力，从而加速蠕变速率。
而应力的增加会导致聚合物链之间的相互作用增强，从而减缓蠕变速率。
此外，材料的结构和化学组成也会对蠕变行为产生影响。
例如，交联程度的增加会使材料的蠕变速率降低。
蠕变对交联聚合物的应用有着重要的影响。
在一些需要长期受力的工程领域，如建筑材料、航空航天和汽车工业等，蠕变是一个必须考虑的因素。
合理选择交联聚合物的结构和组成，可以有效地控制蠕变现象，提高材料的使用寿命和性能稳定性。
交联聚合物的蠕变现象是由聚合物链的长期弛豫引起的。
蠕变行为可以通过蠕变曲线来描述，其包括瞬态蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段。
蠕变受温度、应力、结构和化学组成等因素的影响。
蠕变变形过程
蠕变变形过程
第一部分：蠕变的定义和特点蠕变是指材料在持续应力作用下随时间发生的塑性变形。
与弹性和塑性不同，蠕变是一种时间依赖性变形，即变形随时间的推移而发展。
蠕变具有以下特点：
蠕变是一个渐进性变形过程，随着时间的推移，变形量逐渐增加。
蠕变通常在高温条件下更为显著，但也存在一些低温蠕变现象。
蠕变是可逆的，即当去除应力时，材料可以部分或完全恢复到原始形状。
第二部分：蠕变机制蠕变的发生涉及多种复杂的机制，其中最常见的是晶体滑移、晶粒边界滑移和空位扩散。
这些机制使得材料的晶体结构发生变化，导致材料的塑性变形和形状改变。
第三部分：影响蠕变的因素多种因素会影响材料的蠕变行为，包括：
温度：高温条件下，材料的蠕变速率更高，因为高温有利于晶体滑移和扩散等蠕变机制的发生。
应力水平：较高的应力水平会促进蠕变的发生，因为较高的应力会提供更大的驱动力来克服材料的阻力。
材料的化学成分和晶体结构：不同材料的化学成分和晶体结构会影响其蠕变行为。
一些材料对蠕变更敏感，而另一些材料可能表现出较低的蠕变倾向。
flac3D蠕变基础知识
flac3D蠕变基础知识蠕变模型将flac3d的蠕变分析option进行了简单的翻译，目的是为了搞清楚蠕变过程中系统时间是如何跟真实时间对应的。
1. 简介Flac3d可以模拟材料的蠕变特性，即时间依赖性，flac3d2.1提供6种蠕变模型：1. 经典粘弹型模型model viscous2. model burger3. model power4. model wipp5. model cvisc6. powe蠕变模型结合M-C模型产生cpow蠕变模型（model cpow）7. 然后WIPP蠕变模型结合D-P模型产生Pwipp蠕变模型（model pwipp）；8 model cwipp以上模型越往下越复杂，第一个模型使用经典的maxwell蠕变公式，第二个模型使用经典的burger蠕变公式，第三个模型主要用于采矿及地下工程，第四个模型一般用于核废料地下隔离的热力学分析，第五个模型是第二个模型的M-C扩展，第六个模型是第三个模型的M-C 扩展，第七个模型是第四个模型的D-P扩展，第八个模型也是第四个模型的一种变化形式，只是包含了压硬和剪缩行为。
2. flac3d解流变问题2.1简介流变模型和flac3d其他模型最大的不同在于模拟过程中时间概念的不同，对于蠕变，求解时间和时间步代表着真实的时间，而一般模型的静力分析中，时间步是一个人为数量，仅仅作为计算从迭代到稳态的一种手段来使用。
2.2 flac3d的蠕变时间步长对于蠕变等时间依赖性问题，flac3d容许用户自定义一个时间步长，这个时间步长的默认值为零，那么材料对于粘弹性模型表现为线弹性，对于粘塑性模型表现为弹塑性。
（命令set creep off也可以用来停止蠕变计算。
）这可以用来在系统达到平衡后再开始新的蠕变计算。
蠕变公式中包含时间，所以计算中时间步长对程序响应有影响。
虽然用户可以对时间步进行设置，但并不是任意的。
蠕变过程由偏应力状态控制，从数值计算的精度来讲，最大蠕变时间步长可以表示成材料粘性常数和剪切模量的比值：For the power law ----------省略。
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例16 蠕变过程的模拟16.1 问题描述椭圆形管道，时间一长，会产生蠕变，管道截面由椭圆形为喇叭形，最终变为原形并由于应变过大而遭破坏。
采用NORTOND蠕变模型。
根据对称取一半进行分析，如图16-1。
图16-1 在高温条件下承受均布内压的椭圆形管道16.2 网格划分先激活并设置格栅，加圆弧线及直线各两条，形成两个直纹面，然后转化为单元，由SYMMETRY复制网格。
检查单元节点编号，删去重复单元节点。
参见图16-2、16-3、16-4。
图16-2 格栅设置MESH GENERA TIONCOORDINA TE SYSTEM SET: (设置格栅)GRID ON （打开栅格）U DOMAIN （输入分布U，V上的数值）0 1U SPACING0.065V DOMAIN-1 1V SPACING0.065FILLRETURNCURVE TYPE (选择曲线类型：圆弧)ARC:CENTER/POINT/POINTRETURNCURVES:ADD （增加曲线）0 –0.715 0 0 -0.91 0 0.195 -0.715 00 –0.715 0 0 -0.975 0 0.26 -0.715 0CURVE TYPE (选择曲线类型：直线)LINERETURNCURVES :ADDPOINT(0.195 ,-0.715,0.0)POINT(0.195 ,0.0,0.0)POINT(0.26 ,-0.715,0.0)POINT(0.26 ,0.0,0.0)SURFACE TYPE （选择曲面类型：直纹曲面）RULEDRETURNSURFACE：ADD （增加曲面）1 23 4CONVERT （将几何实体转换为网格）DIVISIONS （定义在第一、第二方向上的单元的划分数目）15 4SURFACE TO ELEMENTS （将曲面转换为单元）2END LISTDIVISIONS10 4SURFACE TO ELEMENTS （将曲面转换为板状单元）1END LISTRETURNSYMMETRY （将节点单元或几何实体相对某一镜射平面作对称复制）NORMAL （指定镜射面的法线方向，下面设置表示沿Y轴对称）0 1 0ELEMENTSALL EXSTINGCHECK （检验网格）UPSIDE DOWN （检查二维平面单元是否为upside down 单元）FLIP ELEMENTS （命令更正单元节点编号）ALL SELECTEDSWEEP （消除重复的或距离过小的几何元素和有限单元元素）ALLRETURNRENUMBER （重新编号）MAIN图16-3 形成二个直纹面图16-4 网格16.3 初始条件施加初始温度值，在本题中温度不变，材料特性也不随温度变，因而本步骤可省略。
见图16-5INITIAL CONDITIONS （定义初始条件）STATE VARLABLE （初始状态变量的定义）V ALUE1660OKELEMENTS ADDALL EXISTINGRETURNMAIN图16-5 施加初始温度值16.4 边界条件根据对称性约束一些节点的自由度，管道的内部压力载荷为66。
参见图16-6、16-7。
BOUNDARY CONDITIONS （边界条件）MECHANICAL （定义应力分析的边界条件）FIXED DISPLACEMENT （定义X方向位移边界条件）ON X DISPLACEOKADD NODES （选取Y轴上的节点）Select all nodes on x=0 axisEND LISTNEWON Y DISPLACE （定义Y方向位移边界条件）OKADD NODES （选取X轴上的节点）Select all nodes on y=0 axisEND LISTNEWEDGE LOAD （定义边界载荷：压力）PRESSURE66OKSELECT （打开选择功能）METHODPA TH （确定选择方法是PATH法）RETURNEDGE （选取模型里边的起止节点）Pick node path on interiorEND LISTRETURNEDGES ADD （施加边界条件到所选择的边上）ALL SELECTEDMAIN图16-6 选择边界条件施加路径图16-7 施加边界条件16.5 材料特性设材料本构模型为弹性蠕变。
参见图16-8、16-9。
MATERIAL PROPERTIESISOTROPIC （定义各向同性材料）YOUNG`S MODULUS （定义弹性模量）2.14E7POISSON`S RA TIO （定义泊松比）0. 3CREEP （定义蠕变为弹性蠕变）COEFICIENT （蠕变系数）4e-24STRESS EXPONENT （定义应力指数）4.51OKOKELEMENTS ADDALL EXISTINGMAIN图16-8 定义材料特性图16-9 蠕变参数的设定16.6 几何特性指定单元厚度及指定常膨胀选项。
因有较大的体积不可压的蠕变应变存在，必须指定常膨胀选项。
参见图16-10。
GEOMETRIC PROPERTIES （定义几何特性）PLANAR （定义平面单元几何特性）PLANE STRAIN （定义单元厚度，常体积、假设应变）THICKNESS1CONSTANT DIALATIONASSUMED STRAINOKELEMENTS ADDALL EXISTINGMAIN图16-10 几何特性14.7 载荷工况激活载荷，采用自动时间步长增量算法，总时间为3.47E6，设初始步长为1，最大增量步数为2000，允许每步应力改变为1。
参见图16-11、16-12。
LOADCASESMECHANICAL （指定蠕变的应力分析）CREEPTOTAL LOADCASE TIME （指定历程的总时间）3.47E6图16-11 总时间设置CREEP STRAIN/STRESSPARAMETERS （设置蠕变分析的时间步数）MAX.#INCS （最大增量）2000INITIAL TIME STEP （初始时间步）1STRESS CHANGE TOLERANCE （应力改变容差）1OKOKMAIN图16-12自动时间步长增量算法16.8 作业激活工况，选取等效VON MISES 应力和等效蠕变应变作为后处理的数据。
参见图16-13、16-14、16-15。
JOBSMECHANICALLcase1ANAL YSIS OPTIONSLARGE DISPLACEMENT （进行大位移几何非线性分析）FOLLOWER FORCE（on）（采用跟随力分析）ADV ANCED OPTIONS （非线性分析的一些高级选项）UPDATED LAGRANGE PROCEDURE （更新拉格朗日法）OKOKJOB RESULTS （结果输出：等效VON MISES 应力和等效蠕变应变）Equivalent von mises StressTotal Equivalent Creep StrainOKANAL YSIS DIMENSION: PLANE STRAINOKSA VERUNSUBMITS1MONITOROKMIAN图16-13大位移几何非线性分析选择图16-14更新拉格朗日图16-15激活工况16.9 后处理显示等效蠕变应变云图、80节点的X位移时间历程图、等效VON MISES 应力与等效蠕变应变关系历程图。
参见图16-16、16-17、16-18。
RESULTSOPEN DEFAULT （打开处理文件）DEF＆ORIG （显示变形前后网格）CONTOUR BANDS （显示应变云）SCALAR （指定要处理的变量）Total Equiv. Creep Strain （等效应变）SKIP TO INC （跳到指定的增量步）1098图16-16 最后一步等效蠕变应变云图HISTORY PLOTSET NODES80END LISTCONLLECT DA TA （收集所需数据）0 1100 1NODES/VARIABLE （选择变量）ADD V ARIABLESTimeDisplacement XFIT （可看见80号节点X位移-时间历程图16-17）CLEAR CURVESADD VARIABLES （增加变量：等效VON MISES 应力与等效蠕变应变）Total Equivalent Creep StrainEquivalent von mises StressFIT （拟合曲线）（参见图16-18）图16-17 X位移时间历程图图16-18 等效蠕变应变与等效VON MISES 应力关系历程图。