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利用ansys Workbench仿真塑性材料拉伸力学试验

2018年03月14日 CAE 阅读 33,748 views 次

塑性材料拉伸力学实验的详细实验方法可参考国家标准《GB/T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》。本文以圆形截面拉伸试验样件为例利用ansys Workbench仿真塑性材料拉伸力学试验。根据GB/T 228.1-2010试验样件尺寸如下图所示。

取直径d0=10mm,L0=5*d0=50mm,Lc=L0+d0/2=55mm,Lt>Lc+4*d0,取Lt=115mm。

1、材料力学理论解

根据材料力学塑性材料应力应变曲线如下图所示:

2、ANSYS Workbench仿真分析

2.1 材料设置

在ANSYS Workbench中创建结构静力学分析项目(Static Structural)。设置材料参数如下:杨氏模量2E11 Pa,泊松比0.325,屈服极限(Tensile Yield Strength)350Mpa,强度极限(Tensile Ultimate Strength)516Mpa。塑性阶段采用Multilinear Kinematic hardening(多线性随动强化模型)材料本构关系模型,用列表形式输入应力与塑性应变。(关于Multilinear Kinematic hardening(多线性随动强化模型)材料模型的介绍可参考本站文章《ANSYS Workbench常用材料属性及其设置方法》)材料参数设置如下图所示:

在实际工程项目中为得到较为准确的材料属性,可用电子拉力机对小试件做力学性能试验来确定的。通过试验可以得到上述材料应力应变曲线图。注意试验得到的是总应变,而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain,所以还需将试验所得的总应变减去对应的弹性应变(即屈服点之后的每一个试验点的总应变减去这个点对应的弹性应变,其中弹性应变=应力/弹性模量,这里不考虑其他因素影响近似认为总应变=弹性应变+塑性应变)。

2.2 有限元模型创建

按照样件尺寸进行建模,并划分网格,最终模型如下图所示。

2.3 施加边界条件

将样件的一端进行固定,另一端按载荷步进行载荷施加,具体施加方法见下文2.5节载荷步设置。

2.4 分析步设置

每一步分析都能计算出一个应力和应变,因此可以根据绘图的精度来确定载荷步的多少。但要遵循一个原则:线弹性阶段不宜设置过多载荷步,因为线弹性阶段应力应变是线性变化的,计算出较多的数据点也没有多大意义。一般线性阶段设置3~4个载荷步,能起到验证线性变化即可;屈服阶段载荷步设置可依据应力应变曲线设置多一些载荷步,但要综合考虑计算机的性能和计算时间。 (以下计算时间供参考:10G内存,处理器频率还不到3GHz的本本,算57个数据点需要10分钟左右。)

分析步设置如下图:

先输入Number of step即一共打算设置的载荷步,然后修改Current Step Number对每一个载荷步进行子步设置。一般默认子步设置为Auto time stepping—program controlled,该选项会增加子步数量,如果计算机性能较低可以关掉Auto time stepping(值为OFF),选择默认子步数量1。

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