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1、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
2、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dcr/dt =ABCtP式中，cr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
3、dcr/dt =C1C2。C2，式中，C1=3.125 x10-14，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Utility MenuFileChange Jobname，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Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/EditDelete，弹出如图23-4所示的对话框
4、，单击“Add”按钮，弹出如图23-5所示的对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”。在右侧列表中选“Quad 4 node 182”，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Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，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
5、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, Rate Dependent, Creep, Creep only. “Mises Potential”、“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2
6、3.3.4创建矩形面拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimension，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Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出如图23-10所示的对话框，单击“Size Controls”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
7、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Main Menu-SolutionDefine LoadsApplyStructuralDis
8、placementOn Lines，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“All DOF ，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Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Lines，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Main MenuSolutio
9、nLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps,弹出如图23-14所示的对话框，在“TIME”文本框中输入le-6，在“DELTIM Time step size”文本框中输入le-6，在“DELTIM Minimum time step size”文本框中输入le-6，在“DELTIM Maximum time step size”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Main MenuSolutionUnabridged Menu，以显示Main MenuSolution下的所有菜单项。图23-1
10、4分析选项对话框23.3.9求解拾取菜单Main MenuSolutionSolve Current LS，单击“Solve Current Load Step对话框中的“OK”按钮。当出现“Solution is done!”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Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearStrn Rate Effect,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Main MenuSolutionLoad Step O
11、ptsTime/FrequencTime and Time step，弹出如图23-14所示的对话框，在“TIME”文本框中输入1000，在“DELTIM time step SiZe，size”文本框中输入100，在“DELTIM Minimum time step size”文本框中输入1，在“DELTIM Maximum time step size”文本框中输入100，单击“OK”按钮。23.3.12求解拾取菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS，单击“Solve Current Load Step对话框中的“OK”按钮。当出现“Solution is d
12、one !”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von Mises应力拾取菜单Main MenuGeneral PostprorPlot ResultsContour PlotNodal Solu，弹出如图23-16所示的对话框，在列表中依次选择“Nodal SolutionStress von Mises Stress”（即von Mises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Main MenuTimeHist PostproDefine Variab
13、les，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“Type of variable”为Nodal DOF result”，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“DOF Solution”，在右侧列表中选择“Translation UX”，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Main MenuTimeHist PostproGraph Varia
14、bles，弹出如图23-21所示的对话框，在“NVAR 1”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。24.1.2 ANSYS中的超弹性材料选项进行超弹分析时必须使用具有超弹
15、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=C10I1-3+C01I2-3+1d(J-1)2式中I1、I2应变不变量C10、C01Mooney-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-R
