第23例 材料蠕变分析实例

第23例材料蠕变分析实例—受拉平板本例简单地介绍了蠕变的概念及蠕变材料模型的创建方法，简单地介绍了结构蠕变分析的方法、步骤及要点。23.1蠕变简介蠕变是指金属材料在长时间的恒温、恒载作用下，持续发生缓慢塑性变形的行为，大多数金属材料在高温下都会表现出蠕变行为。如果材料发生了蠕变，在恒载作用下结构会发生持续变形；如果结构承受恒位移，则应力会随时间而减小，即产生应力松弛。图23-1蠕变曲线蠕变一般分为蠕变初始阶段（Primary）、蠕变稳定阶段（Secondary）和蠕变加速阶段(Tertiary)三个阶段，如图23-1所示。蠕变初始阶段时间很短，应变率随时间而减小；在蠕变稳定阶段，应变以常速率发展；在蠕变加速阶段，应变率急剧增大直至材料失效。研究蠕变行为，主要针对蠕变初始阶段和蠕变稳定阶段。研究问题时一般以蠕变方程（又称本构关系）来表征蠕变行为，蠕变方程以蠕应变率的，形式表示dεcr/dt=AσBεCtP式中，εcr为蠕应变。A、B、C、D是由实验得到的材料特性参数。当D0时，蠕应变率随时间减小，材料处于蠕变初始阶段；当D=0时，蠕应变率不随时间变化，材料处于蠕变稳定阶段。在ANSYS中，有一个蠕应变率库供选择。23.2问题描述一矩形平板，左端固定，右端作用有恒定压力p=100MPa，矩形平板尺寸如图23-2所示，材料的弹性模量为2xl05MPa，泊松比为0.3，蠕变稳定阶段蠕变方程dεcr/dt=C1σC2。C2，式中，C1=3.125x10-14，C2=5。试分析平板右端的位移随时间的变化情况。提示：为避免出现较小值，力单位用N，长度单位用mm，时间单位为h。图23-2受拉矩形平板23.3分析步骤23.3.1改变任务名拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname，弹出如图23-3所示的对话框，在“[/FJLNAM]”文本框中输入EXAMPLE23，单击“OK”按钮。图23-3改变任务名对话框23.3.2选择单元类型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit／Delete，弹出如图23-4所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图23-5所示的对话框，在左侧列表中选“StructuralSolid”。在右侧列表中选“Quad4node182”，单击“OK”按钮，最后单击如图23-4所示对话框中的“Close”按钮。图23-4单元类型对话框图23-5单元类型库对话框23.3.3定义材料模型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels，弹出如图23-6所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图23-7所示的对话框，在“EX”文本框中输入2e5（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮；再在如图23-6所示对话框的右侧列表中依次拾取Structural,Nonlinear,Inelastic,RateDependent,Creep,Creeponly.“MisesPotential”、“Implicit”、“10：Norton(Secondary．)”，弹出如图23-8所示的对话框，在“C1”、“C2”、，“C3”文本框中分别输入3.125E-14、5、0，单击“OK”按钮，然后关闭如图23-6所示的对话框图23-6材料模型对话框图26-7材料特性对话框图26-8蠕变特性对话框23.3.4创建矩形面拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→ByDimension，弹出如图23-9所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入0，100，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，30，单击“OK”按钮。图26-9创建矩形面对话框23.3.5划分单元拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，弹出如图23-10所示的对话框，单击“SizeControls”区域中“Lines”后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，拾取矩形面的长边，单击“OK”按钮，弹出如图23-11所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入10，单击“Apply”按钮；再次弹出拾取窗口，拾取矩形面的短边，单击“OK”按钮，弹出如图23-11所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入3，单击“OK”按钮。在如图23-10所示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面，单击“OK”按钮，最后关闭如图23-10所示的对话框。图23-10网格工具对话框图23-11单元尺寸对话框23.3.6施加约束拾取菜单MainMenu-Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnLines，弹出拾取窗口，拾取矩形面的左侧短边，单击“OK”按钮，弹出如图23-12所示的对话框，在列表中选择“AllDOF，单击“OK”按钮。图23-12在线上施加约束对话框23.3.7施加载荷拾取菜单MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnLines，弹出拾取窗口，拾取矩形面的右侧短边，单击“OK”按钮，弹出如图23-13所示的对话框，在VALUE”文本框中输入-100，单击“OK”按钮。图23-13在线上施加压力载荷对话框23.3.8指定分析选项拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→TimeandSubstps,弹出如图23-14所示的对话框，在“TIME”文本框中输入le-6，在“DELTIMTimestepsize”文本框中输入le-6，在“DELTIMMinimumtimestepsize”文本框中输入le-6，在“DELTIMMaximumtimestepsize”文本框中输入le-6，单击“OK”按钮。提示：如果该菜单项未显示在界面上，可以拾取菜单MainMenu→Solution→UnabridgedMenu，以显示MainMenu→Solution下的所有菜单项。图23-14分析选项对话框23.3.9求解拾取菜单MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS，单击“SolveCurrentLoadStep对话框中的“OK”按钮。当出现“Solutionisdone!”提示时，求解结束，即可查看结果。23.3.10激活蠕变分析拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Nonlinear→StrnRateEffect,弹出如图23-15所示的对话框，选择“RATE”为On，单击“OK”按钮。图23-15蠕变选项对话框23.3.11指定分析选项拾取菜单MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→TimeandTimestep，弹出如图23-14所示的对话框，在“TIME”文本框中输入1000，在“DELTIMtimestepSiZe，size”文本框中输入100，在“DELTIMMinimumtimestepsize”文本框中输入1，在“DELTIMMaximumtimestepsize”文本框中输入100，单击“OK”按钮。23.3.12求解拾取菜单MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS，单击“SolveCurrentLoadStep对话框中的“OK”按钮。当出现“Solutionisdone!”提示时，求解结束，即可查看结果。23.3.13查看结果，用等高线显示vonMises应力拾取菜单MainMenu→GeneralPostpror→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu，弹出如图23-16所示的对话框，在列表中依次选择“NodalSolution→Stress→vonMisesStress”（即vonMises等效应力），单击“OK”按钮，结果如图23-17所示。图23-16用等高线显示节点结果对话框图23-17平板的应力23.3.14定义变量拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→DefineVariables，弹出如图23-18所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图23-19所示的对话框，选择“Typeofvariable”为NodalDOFresult”，单击“OK”按钮，弹出拾取窗口，拾取右上角节点，单击OK”按钮，弹出如图23-20所示的对话框，在左侧列表中选择“DOFSolution”，在右侧列表中选择“TranslationUX”，单击“OK”按钮，最后关闭如图23-18所示的对话框。图23-18定义变量对话框图23-19变量类型对话框图23-20选择数据类型对话框23.3.15显示变量拾取菜单MainMenu→TimeHistPostpro→GraphVariables，弹出如图23-21所示的对话框，在“NVAR1”文本框中输入2，单击“OK”按钮，结果如图23-22所示。图23-21显示变量对话框图23-22平板右端节点的位移曲线第24例超弹分析实例---缓冲垫本例简单介绍了超弹性材料的特点，通过实例介绍了建立超弹性材料模型的方法及分析过程中的要点。24.1概述24.1.1超弹性材料超弹性材料包括天然橡胶和合成橡胶，其弹性行为不同于金属，有以下特点:(1)超弹性材料可以承受大弹性变形；(2)许多超弹性材料几乎不可压缩，泊松比接近于0.5;(3)应力应变曲线具有高度的非线性。24.1.2ANSYS中的超弹性材料选项进行超弹分析时必须使用具有超弹能力的单元类型，超弹选项用TB，HYPER命令进行说明。ANSYS中的超弹性材料模型是基于材料各向同性和不可压缩的假设来进行定义的。超弹材料的本构关系用应变能密度函数描述。选择不同的应变能密度函数，使用的材料常数也不同。材料常数可以直接输入，也可以使用试验数据拟合得到。可以使用ANSYS提供的超弹性材料模型，也可以自定义。在ANSYS提供的各种超弹性材料的模型中，常用的有Mooney-Rivlin不可压缩橡胶模型和Blatz-Ko橡胶非线性弹性模型。2参数Mooney-Rivlin超弹材料模型的应变能密度函数为W=C10(I1−3)+C01(I2−3)+1d(J−1)2式中I1、I2——应变不变量C10、C01——Mooney-Rivlin常数d——常数，可由C10、C01及泊松比确定W——应变能密度函数24.2问题描述一外半径为20mm、内半径为15mm的钢球，以2m/s的速度掉落在铺有厚度为5mm的橡胶垫的地面上，已知橡胶材料采用2参数Mooney-Rivlin超弹材料模型，泊松比为0.499，Mooney-Rivlin常数Cl0、C01分别为2MPa和0.5MPa。试分析钢球的冲击情况。24.3分析步骤24.3.1改变任务名拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname，弹出如图24-1所示的对话框，在“[/FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE24，单击“OK”按钮。图24-1改变任务名对话框24.3.2选择单元类型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete，弹出如图24-2所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图24-3所示的对话框，在左侧列表中选“StructuralSolid”，在右侧列表中选“Quad4node182”，单击“Apply”按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选“2ndsurf171”，单击“Apply”按钮：再在左侧列表中选“Contact”，在