ansys級非線性分析蠕變-文檔資料

1、蠕變?nèi)渥?四章四章Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-2隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變本章綜述本章綜述前一章探討了率無關塑性前一章探討了率無關塑性, 本章將討論本章將討論 ANSYS 中蠕變行為的分析中蠕變行為的分析方法。方法。 盡管從材料的觀點看盡管從材料的觀點看蠕變?nèi)渥?和和粘塑性粘塑性是相同的是相同的, 但本構模型的使用不同但本構模型的使用不同。 因此因此, 率相關的塑性主題被分為兩部分率相關的塑性主題被分為兩部分, 這部分屬于蠕變。這部分屬于蠕變。本章將介紹本章將介紹ANSYS中可

2、用的大量的隱式和顯式蠕變法則。中可用的大量的隱式和顯式蠕變法則。 主要討論金屬的蠕變。主要討論金屬的蠕變。 然而然而, 討論的各種觀點也適用于塑料或混凝土討論的各種觀點也適用于塑料或混凝土等其它材料的蠕變。等其它材料的蠕變。 ANSYS有隱式和顯式兩種蠕變分析過程。有隱式和顯式兩種蠕變分析過程。 首先討論蠕變的一般知識，首先討論蠕變的一般知識，然后是進行隱式或顯式蠕變分析的細節(jié)。然后是進行隱式或顯式蠕變分析的細節(jié)。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-3隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變本章綜述

3、本章綜述本章包括下列主題：本章包括下列主題：A. 蠕變現(xiàn)象背景蠕變現(xiàn)象背景B. 術語定義術語定義C. 一般蠕變方程一般蠕變方程D. 隱式蠕變過程隱式蠕變過程E. 顯式蠕變過程顯式蠕變過程F. ANSYS 蠕變模型的求解過程蠕變模型的求解過程G. 隱式蠕變與顯式蠕變的比較隱式蠕變與顯式蠕變的比較Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-4隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 A. 蠕變背景蠕變背景晶體材料中晶體材料中, 如金屬如金屬, 蠕變機理與空隙的擴散流動和位錯運動有關。蠕變機理與空隙的擴散流動和位

4、錯運動有關。 空隙是點缺陷空隙是點缺陷, 傾向于形成與所施加應力方向垂直傾向于形成與所施加應力方向垂直(而不是平行而不是平行)的晶界的晶界?？障队筛呒袇^(qū)向低集中區(qū)運動?？障队筛呒袇^(qū)向低集中區(qū)運動。 在低應力狀態(tài)下發(fā)生擴散流動，但在低應力狀態(tài)下發(fā)生擴散流動，但通常需要高溫條件。通常需要高溫條件。 晶粒的位錯是線缺陷晶粒的位錯是線缺陷. 位錯運動位錯運動(攀升、滑動、偏移攀升、滑動、偏移)在高應力狀態(tài)下被在高應力狀態(tài)下被激活激活, 盡管在中溫時也可能發(fā)生位錯運動。盡管在中溫時也可能發(fā)生位錯運動。 有時晶界滑移被認為是一種獨立的導致蠕變變形的機理。有時晶界滑移被認為是一種獨立的導致蠕變變形的機理

5、。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-5隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 蠕變背景蠕變背景盡管對材料科學的詳細論述超越了本書的范圍，也足以說明前面提盡管對材料科學的詳細論述超越了本書的范圍，也足以說明前面提及的物理機理導致蠕變。及的物理機理導致蠕變。 蠕變變形與應力、應變、時間和溫度的相蠕變變形與應力、應變、時間和溫度的相關性一般用與下式相似的形式來模擬：關性一般用與下式相似的形式來模擬：函數(shù)函數(shù)f1-4 與選擇的蠕變法則有關。與選擇的蠕變法則有關。 通常由不同應變速率和溫度條件下的各種

6、拉伸實驗確定相關蠕變常數(shù)。通常由不同應變速率和溫度條件下的各種拉伸實驗確定相關蠕變常數(shù)。假設各向同性行為假設各向同性行為, von Mises 方程用于計算有效應力方程用于計算有效應力, 在蠕變應在蠕變應變率方程中使用等效應變變率方程中使用等效應變(與率無關塑性相似與率無關塑性相似)。 Tftfffcr4321Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-6隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 蠕變背景蠕變背景當計算彈性、塑性和蠕變應變時當計算彈性、塑性和蠕變應變時, ANSYS使用附加的應變分量使用

7、附加的應變分量: 計算塑性應變計算塑性應變(流動法則流動法則)類似于前一章的描述。類似于前一章的描述。 根據(jù)蠕變應變率方根據(jù)蠕變應變率方程計算蠕變應變，它的詳細形式將在后面討論。程計算蠕變應變，它的詳細形式將在后面討論。彈性、蠕變和塑性應變都基于彈性、蠕變和塑性應變都基于(當前的當前的)應力狀態(tài)，但它們是獨立計應力狀態(tài)，但它們是獨立計算的算的(彼此互不依賴彼此互不依賴)。 注意在利用隱式蠕變與顯式蠕變進行計算時有差別。注意在利用隱式蠕變與顯式蠕變進行計算時有差別。crplelelD:附加分量附加分量應力應力-應變應變Advanced Structural Nonlinearities 6.0T

8、raining ManualInventory #0014914-7隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 蠕變背景蠕變背景與塑性類似與塑性類似, 蠕變是一種基于偏量行為的不可逆蠕變是一種基于偏量行為的不可逆(非彈性非彈性)應變。應變。 在在蠕變流動條件下蠕變流動條件下, 假設材料是不可壓縮的。假設材料是不可壓縮的。另一方面另一方面, 與率無關塑性不同，蠕變在發(fā)生非彈性應變時沒有屈服與率無關塑性不同，蠕變在發(fā)生非彈性應變時沒有屈服面。面。 因此因此, 蠕變不需要高應力值來發(fā)生更多的蠕變應變。蠕變不需要高應力值來發(fā)生更多的蠕變應變。 假設在所有非零假設在所有非零應力值時都會發(fā)生蠕變應變。應力值時都會發(fā)

9、生蠕變應變。前面提到前面提到, 從材料的角度看從材料的角度看, 蠕變和粘塑性是相同的。蠕變和粘塑性是相同的。 工程應用中工程應用中, 通常蠕變用于描述低應變速率的熱激活過程。通常蠕變用于描述低應變速率的熱激活過程。 率無關塑率無關塑性和隱式蠕變應變以弱耦合方式處理。性和隱式蠕變應變以弱耦合方式處理。 相反相反, ANSYS 中粘塑性本構模型用于描述高應變速率的應用中粘塑性本構模型用于描述高應變速率的應用(例如例如, 沖沖擊載荷擊載荷)。 非彈性應變以強耦合方式處理。非彈性應變以強耦合方式處理。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training Manu

10、alInventory #0014914-8隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 蠕變分析實例蠕變分析實例焊球蠕變分析的例子焊球蠕變分析的例子(熱循環(huán)熱循環(huán))。Bret Zahn, ChipPAC 授權的ANSYS 模型 (http:/ (B-Bar), 雙曲雙曲正弦隱式蠕變模型正弦隱式蠕變模型Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-9隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 B. 術語的定義術語的定義蠕變的三個階段蠕變的三個階段: 在常載荷條件下在常載荷條件下, 蠕變的單軸應變與時間的關系如下圖所示。蠕變

11、的單軸應變與時間的關系如下圖所示。第一階段第一階段, 應變率隨時間減小，該階段在較短時間內(nèi)完成。應變率隨時間減小，該階段在較短時間內(nèi)完成。第二階段第二階段 具有常應變率。具有常應變率。第三階段第三階段, 應變率迅速增加直到破壞應變率迅速增加直到破壞(斷裂斷裂)。t 第二階段第二階段第三階段第三階段第一階段第一階段斷裂斷裂Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-10隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 術語的定義術語的定義蠕變的三個階段蠕變的三個階段(續(xù)續(xù)) 蠕變應變率可能是應力、應變、溫度、和蠕

12、變應變率可能是應力、應變、溫度、和/或時間的函數(shù)?；驎r間的函數(shù)。 對于工程分析對于工程分析, 通常最關心蠕變的第一和第二階段，通常最關心蠕變的第一和第二階段， 第三階段蠕變通第三階段蠕變通常與開始破壞有關常與開始破壞有關(頸縮、損壞頸縮、損壞), 且時間較短，且時間較短， 因此因此, ANSYS 中不模中不模擬第三階段。擬第三階段。 第一階段蠕變的應變率通常遠大于第二階段蠕變。然而第一階段蠕變的應變率通常遠大于第二階段蠕變。然而, 應變率在第應變率在第一階段逐漸降低而在第二階段幾乎為常值一階段逐漸降低而在第二階段幾乎為常值 (對于前面提及的常應力、恒對于前面提及的常應力、恒溫下單軸試驗情況而言

13、溫下單軸試驗情況而言)， 而且第一階段蠕變時間比第二階段短。而且第一階段蠕變時間比第二階段短。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-11隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 術語的定義術語的定義蠕變?nèi)渥?在施加恒應力條件下在施加恒應力條件下, 蠕變應變增加。蠕變應變增加。應力松弛應力松弛 在施加恒應變條件下在施加恒應變條件下, 應力降低。應力降低。t t Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #001491

14、4-12隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 術語的定義術語的定義時間強化時間強化 假設蠕變應變率僅與從蠕變過程開始假設蠕變應變率僅與從蠕變過程開始 的時間有關，的時間有關， 也就是說也就是說, 該曲線該曲線 上上/下移動，當應力從下移動，當應力從 1 到到 2變化時變化時, 計算計算A 到到 B點的不同蠕變速率。點的不同蠕變速率。應變強化應變強化 假設蠕變速率僅與材料現(xiàn)有的應變有關，假設蠕變速率僅與材料現(xiàn)有的應變有關， 也就是說也就是說, 曲線左曲線左/右移動右移動. 當應力從當應力從 1 到到 2變化時變化時, 計算計算A 到到 B點的不同蠕變點的不同蠕變 應變率。應變率。t 1 1 2 2A

15、Bt 1 1 2 2ABncrtncrAdvanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-13隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 術語的定義術語的定義顯式蠕變顯式蠕變 顯式蠕變是指應用顯式蠕變是指應用 Euler 向前法進行蠕變應變演化的計算。向前法進行蠕變應變演化的計算。 在每個時在每個時間步使用的蠕變應變率與該時間步開始時的速率一致，并假設在整個間步使用的蠕變應變率與該時間步開始時的速率一致，并假設在整個時間步時間步 D Dt 內(nèi)為常量，內(nèi)為常量， 因此，需要很小的時間步以使減小誤差。因此，需要很小的

16、時間步以使減小誤差。 對于有塑性的顯式蠕變對于有塑性的顯式蠕變, 首先進行塑性修正首先進行塑性修正, 然后進行蠕變修正。兩種然后進行蠕變修正。兩種修正在不同應力值處進行，因此精度較差。修正在不同應力值處進行，因此精度較差。,ttttcrTfDAdvanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-14隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 術語的定義術語的定義隱式蠕變隱式蠕變 隱式蠕變應用了隱式蠕變應用了Euler向后積分法求解蠕變應變。向后積分法求解蠕變應變。 該方法在數(shù)值上無條該方法在數(shù)值上無條件穩(wěn)定，這意味

17、著不必象顯式蠕變方法那樣件穩(wěn)定，這意味著不必象顯式蠕變方法那樣, 使用小的時間步使用小的時間步, 所以總所以總體上會更快。體上會更快。 對于隱式蠕變加上率無關塑性對于隱式蠕變加上率無關塑性, 塑性修正和蠕變修正同時進行塑性修正和蠕變修正同時進行, 而不是而不是分別進行。分別進行。 因此因此, 隱式蠕變一般比顯式蠕變更精確隱式蠕變一般比顯式蠕變更精確, 但它仍與時間步大但它仍與時間步大小有關，必須使用足夠小的時間步來精確捕捉路徑相關行為。小有關，必須使用足夠小的時間步來精確捕捉路徑相關行為?；谏鲜鲈蚧谏鲜鲈? 隱式蠕變是隱式蠕變是 ANSYS 推薦的方法推薦的方法(高效、精確高效、精確)

18、。 后后面將詳細討論兩種蠕變過程。面將詳細討論兩種蠕變過程。,ttttttcrTfDDDAdvanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-15隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 C. 一般蠕變方程一般蠕變方程如前所述如前所述, 蠕變方程通常是一種速率形式蠕變方程通常是一種速率形式, 類似于下式類似于下式:然而然而, 被分析的材料類型決定了具體蠕變方程的選擇?，F(xiàn)在討論一被分析的材料類型決定了具體蠕變方程的選擇。現(xiàn)在討論一些一般的特性些一般的特性, 具體模型包括在隱式蠕變和顯式蠕變兩部分中。具體模型包括在隱式蠕

19、變和顯式蠕變兩部分中。 單元手冊單元手冊 第第 2.5 章節(jié)也包括了隱式和顯式蠕變方程。章節(jié)也包括了隱式和顯式蠕變方程。 Tftfffcr4321Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-16隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 一般蠕變方程一般蠕變方程溫度相關性溫度相關性 蠕變效應被熱激活蠕變效應被熱激活, 它的溫度相關性通常由它的溫度相關性通常由 Arrhenius 法則來表示法則來表示: 式中式中Q為激活能為激活能, R為普適氣體常數(shù)為普適氣體常數(shù), T為絕對溫度。為絕對溫度。應力相關性應力

20、相關性 蠕變應變通常也與應力有關蠕變應變通常也與應力有關, 尤其是位錯蠕變。尤其是位錯蠕變。Norton 法則為法則為:對上述冪定律的常見修正如下對上述冪定律的常見修正如下:RTQcrencrCcreAdvanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-17隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 一般蠕變方程一般蠕變方程通常第一階段蠕變顯示通常第一階段蠕變顯示時間或應變強化時間或應變強化。 時間強化包含在一個時間相關項中時間強化包含在一個時間相關項中: 應變強化包含在一個應變相關項中應變強化包含在一個應變相關項

21、中: 由可用的材料數(shù)據(jù)來決定使用哪一項由可用的材料數(shù)據(jù)來決定使用哪一項(應變或時間強化應變或時間強化)。 第二階段不具有時間或應變強化，第二階段的蠕變應變率通常是常數(shù)。第二階段不具有時間或應變強化，第二階段的蠕變應變率通常是常數(shù)。mcrtncrAdvanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-18隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 一般蠕變方程一般蠕變方程 ANSYS 中可用的蠕變法則匯總如下中可用的蠕變法則匯總如下:如前所述如前所述, 只要可能只要可能, 推薦采用隱式蠕變。推薦采用隱式蠕變。Expli

22、citImplicitCreep Equation DescriptionTypeC6/C12 valueTBOPT valueStrain HardeningPrimaryC6=01Time HardeningPrimaryC6=12Generalized ExponentialPrimaryC6=23Generalized GrahamPrimary-4Generalized BlackburnPrimary-5Modified Time HardeningPrimary-6Modified Strain HardeningPrimary-7Generalized Garofalo (Hy

23、perbolic sine)Secondary-8Exponential FormSecondaryC12=09NortonSecondaryC12=110Time HardeningBoth-11Rational PolynomialBothC6=1512Generalized Time HardeningPrimary-13User CreepC6=100100Annealed 304 Stainless SteelBothC6=9-Annealed 316 Stainless SteelBothC6=10-Annealed 2.25 Cr - 1 Mo Low Alloy SteelBo

24、thC6=11-Power Function Creep LawPrimaryC6=12-Sterling Power Function Creep LawBothC6=13-Annealed 316 Stainless SteelBothC6=14-20% Cold Worked 316 SS (Irradiation-Induced)BothC66=5-隱式蠕變隱式蠕變D節(jié)節(jié)Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-20隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 D. 隱式蠕變過程隱式蠕變過程本節(jié)討論進

25、行隱式蠕變分析的過程。本節(jié)討論進行隱式蠕變分析的過程。如前所述如前所述, 因為隱式蠕變比顯式蠕變更穩(wěn)定、精確和高效因為隱式蠕變比顯式蠕變更穩(wěn)定、精確和高效(更快更快), 所以是首選的方法。所以是首選的方法。 這是由于該公式中使用了隱式積分法這是由于該公式中使用了隱式積分法(Euler向后法向后法)。 有些情況下采用的蠕變法則或單元類型需要使用顯式蠕變方法。有些情況下采用的蠕變法則或單元類型需要使用顯式蠕變方法。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-21隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 支持

26、的單元類型支持的單元類型隱式蠕變材料支持的單元類型隱式蠕變材料支持的單元類型: “核心核心”單元單元: PLANE42, SOLID45, PLANE82, SOLID92 和和 SOLID95 “18x”系列單元系列單元: LINK180, SHELL181, PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187, BEAM188 和和 BEAM189隱式蠕變分析中隱式蠕變分析中, 推薦選擇推薦選擇“18x” 系列單元。系列單元。 因為在因為在 “18x” 系列單元中有大量的單元技術可用系列單元中有大量的單元技術可用(參考第二章參考第二章), 這些

27、單這些單元提供了更強的靈活性和能力。這些公式包括元提供了更強的靈活性和能力。這些公式包括 B-Bar, URI, 增強應變及增強應變及混合混合U-P。 “18x” 系列單元比核心單元支持更多的本構模型系列單元比核心單元支持更多的本構模型, 包括超彈性。包括超彈性。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-22隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 支持的塑性模型支持的塑性模型前已述及前已述及, 蠕變與率無關塑性解耦。蠕變與率無關塑性解耦。 隱式蠕變允許與下述率無關塑隱式蠕變允許與下述率無關塑性模型相

28、結合性模型相結合(見第三章見第三章): 有蠕變的有蠕變的 BISO, MISO和和 NLISO (等向強化蠕變等向強化蠕變) 有蠕變的有蠕變的 BKIN (隨動強化蠕變隨動強化蠕變) 蠕變與蠕變與 HILL (各向異性蠕變各向異性蠕變) 蠕變與蠕變與BISO, MISO 和和 有有 HILL 的的 NLISO (等向強化的各向異性蠕變等向強化的各向異性蠕變) 蠕變與有蠕變與有 HILL 的的 BKIN (隨動強化的各向異性蠕變隨動強化的各向異性蠕變)Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-2

29、3隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 定義隱式蠕變模型定義隱式蠕變模型可以用命令或通過可以用命令或通過GUI定義隱式蠕變模型定義隱式蠕變模型(在下面的幻燈片中討論在下面的幻燈片中討論)。對于隱式蠕變對于隱式蠕變, 以兩種方式定義溫度相關性以兩種方式定義溫度相關性: 由由 TBDATA (或材料或材料GUI)定義溫度相關常數(shù)定義溫度相關常數(shù) 很多蠕變方程包括前面提及的很多蠕變方程包括前面提及的 Arrhenius 方程方程 由用戶確定使用任一個或兩個方法來包含溫度相關性。由用戶確定使用任一個或兩個方法來包含溫度相關性。RTQcreAdvanced Structural Nonlinearities

30、 6.0Training ManualInventory #0014914-24隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 定義隱式蠕變模型定義隱式蠕變模型通過命令定義隱式蠕變時通過命令定義隱式蠕變時, 使用使用TB,CREEP, 具體蠕變模型由具體蠕變模型由TBOPT 定義定義。 TB, CREEP, mat, ntemp, npts, TBOPT TBTEMP 定義與溫度相關的常數(shù)定義與溫度相關的常數(shù) TBDATA 定義實際常數(shù)定義實際常數(shù)對下面的例子對下面的例子, TBOPT = 2 是指采用時間是指采用時間-強化蠕變方程強化蠕變方程. 使用使用 TBTEMP命令指定溫度相關常數(shù)命令指定溫度相關常

31、數(shù), 與該方程相關的四個常數(shù)由與該方程相關的四個常數(shù)由 TBDATA 命令指定為命令指定為自變量。自變量。TB,CREEP,1,1,4,2TBTEMP,100TBDATA,1,C1,C2,C3,C4Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-25隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 定義隱式蠕變模型定義隱式蠕變模型所有隱式蠕變模型可以所有隱式蠕變模型可以在如下的材料在如下的材料GUI中選中選擇擇:Structural Nonlinear Inelastic Rate Dependent Creep確

32、保首先定義必需的線確保首先定義必需的線彈性材料屬性彈性材料屬性( EX和和 PRXY)。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-26隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 定義隱式蠕變模型定義隱式蠕變模型當選擇合適的隱式蠕變模型后當選擇合適的隱式蠕變模型后, 出現(xiàn)一個獨立對話框顯示所需的輸出現(xiàn)一個獨立對話框顯示所需的輸入項。入項。 下面例子中下面例子中, 已經(jīng)定義了第一階段蠕變方程已經(jīng)定義了第一階段蠕變方程, 提示用戶輸入四個蠕變常提示用戶輸入四個蠕變常數(shù)。數(shù)。 也可以輸入溫度相關的常數(shù)。也可以輸

33、入溫度相關的常數(shù)。Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-27隱式與顯式蠕變隱式與顯式蠕變 . 可用的隱式蠕變模型可用的隱式蠕變模型下表顯示可用的隱式蠕變法則，方程在下面幻燈片中說明。下表顯示可用的隱式蠕變法則，方程在下面幻燈片中說明。ImplicitCreep Equation DescriptionTypeTBOPT valueStrain HardeningPrimary1Time HardeningPrimary2Generalized ExponentialPrimary3Gene

34、ralized GrahamPrimary4Generalized BlackburnPrimary5Modified Time HardeningPrimary6Modified Strain HardeningPrimary7Generalized Garofalo (Hyperbolic sine)Secondary8Exponential FormSecondary9NortonSecondary10Time HardeningBoth11Rational PolynomialBoth12Generalized Time HardeningPrimary13User Creep100Advanced Structural Nonlinearities 6.0Training ManualInventory #0014914-28隱式和顯式蠕變隱式和顯式蠕變 . 可用的隱式蠕變模型可用的隱式蠕變模型1)應變強化