ANSYS塑性解析

• 材料几乎没有塑性变形就断裂, 称为脆性. • 很多方面, 韧性响应比脆性响应更安全.
• 塑性是最常用的 ANSYS 材料非线性.
5-2
… 塑性基础
• 本章将通过如下主题简要介绍塑性材料非线性基础:
A. 综述
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities
• 如果沿着轴线1=2=3看过去，von Mises 屈服准则如下图。在屈服 面内，象以前提到的，行为表现为弹性。
塑性基础
… 综述
… 屈服准则:
•
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities
一个常用的屈服准则是 von Mises 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. Von Mises 等效应力定义为:
1 1 2 2 e 2
Basic Structural Nonlinearities
• 因为通常屈服点和比例极限之间差别很小, ANSYS 程序总是假定 它们是相同. • 屈服点以下的应力-应变曲线部分称为弹性区, 屈服点以上的部分称 为塑性区.

屈服点
弹性
塑性

5-9
塑性基础
… 综述
应变强化
• 屈服后的行为典型地刻划为弹性-理想塑性 或 应变强化 行为.
Basic Structural Nonlinearities
• 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.
– 流动法则.
– 强化规律.
5-11
塑性基础
… 综述
屈服准则
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities
5-12
• 对于单向拉伸是试件, 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 得到的屈服应力相比较.
• 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.
第五章
塑性基础
塑性基础
什么是塑性?
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities
• 当韧性材料经历了超过弹性极限的应力, 将发生屈服, 获得大而永 久的变形.
– 塑性指超过屈服极限的材料响应. – 塑性响应对于金属成型加工是重要的.
– 对于工作中的结构, 有时塑性作为能量吸收机构也很重要.
E
5-4
塑性基础
… 概述
塑性:
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Basic Structural Nonlinearities
• 塑性变形是由于剪切应力（偏应力）引起的原子面的滑移而产生的 。这中错位运动本质上晶体结构中的原子重组，使其与新的原子相 邻。
– 卸载后，得到不可回复的应变或永久变形 – 滑移一般不产生任何体应变（不可压缩的条件下），不象弹性变形
• 结构的塑性响应 (典型地, 是由于多轴应力状态引起的) 基于单轴试 验试样的结果. • 从单轴应力－应变实验的结果可以得到如下信息:
– 比例极限.
– 屈服点.
– 应变强化.
5-7
塑性基础
… 综述
比例极限和屈服点
• 大多数韧性金属在比例极限 的应力水平下表现出线性行为.
– 在比例极限以下, 应力和应变线性相 关.
Basic Structural Nonlinearities
– 在弹性响应中，如果响应应力在材料的屈服点之下，材料在卸载后能 完全恢复原来的形状。 – 从金属材料的观点来看，这种行为是由于拉伸产生的，而不是原子间 化学键的断裂 • 原子键的拉伸是可完全恢复的 • 弹性应变趋于很小 – 金属材料的弹性行为最普遍是用应力应变关系的虎克定理描述:
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities
– 应变强化 是一种材料响应, 当超过初始屈服点以后, 随着应变的增大, 屈服应力增大.

y
y
y
弹性-理想塑性

单轴应力-应变曲线
y
应变强化

5-10
塑性基础
… 综述
Training Manual
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities

屈服点 比例极限
• 另外, 在屈服点 的应力水平以下, 应 力-应变响应为弹性.
– 在屈服点以下,发生的任何应变，卸 载后都是完全可恢复的.

5-8
塑性基础
… 综述
… 比例极限和屈服点:
Training Manual

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力时发 生屈服:
e y
5-13
塑性基础
… 综述
… 屈服准则:
• Von Mises 屈服准则可以在主应力空间图示为: 2 2
TrainLeabharlann Baidung Manual
Basic Structural Nonlinearities
1=2=3 1 3 • 在三维中, 屈服面 是一个圆柱面, 其轴为 1=2=3. 在二维中, 屈 服准则图示为一个椭圆. 任何在这个屈服面内的应力状态都是弹性 的, 任何在此屈服面外的应力状态都将引起屈服.
1
塑性基础
… 综述
B. 建模
C. 求解 D. 后处理
• 目的是了解如何在 ANSYS 模型中包括基本塑性选项.
• 另外, 更高级的塑性选项, 和其他材料非线性(如蠕变和超弹性)都 在高级结构非线性 培训手册中讨论.
5-3
塑性基础
A. 综述
回顾弹性:
• 在进行讨论塑性之前，回顾一下材料的弹性是有用的。
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屈服点y 卸载 弹性
塑性

5-5
塑性基础
… 概述
低碳钢的典型应力－应变曲线（夸大）
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities

上屈服点
应变强化
破坏 理想塑性 弹性

5-6
塑性基础
… 概述
Training Manual
Basic Structural Nonlinearities