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1、ansysansys超弹性分析练习十超弹性分析练习十四解析四解析Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验目的目的模拟橡皮试样的简单拉伸实验模拟橡皮试样的简单拉伸实验目标目标橡皮数据的曲线拟合橡皮数据的曲线拟合熟悉求解超弹性问题熟悉求解超弹性问题模型描述模型描述三维三维SOLID185单元单元1/8对称对称单位：单位：mm, 应力：应力：MPaImage courtesy of Axel Pr
2、oducts, Inc.http:/ 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities1.读入输入文件读入输入文件“ASNL_W08B_Tension.inp”使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Utility Menu File Read Input From选择选择“ASNL_W08B_Tension.inp”点击点击 OK或命令输入方法：或命令输入方法：/INPUT,ASNL_W08B_Tension,inp提示：提示：这将读入一个输入文件这将读入一
3、个输入文件, 产生当前练习的几何体、载荷产生当前练习的几何体、载荷和边界条件，得到一个由和边界条件，得到一个由SOLID185单元组成的三维模单元组成的三维模型。型。当前数据库将被删除。当前数据库将被删除。 图形和其它设置将与这些幻灯片一致。图形和其它设置将与这些幻灯片一致。 练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线
4、拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验继续该练习前继续该练习前, 也可检查模型的网格和边界条件也可检查模型的网格和边界条件, 以便更熟悉它。以便更熟悉它。模型是真实模型的模型是真实模型的1/8，所以法向约束施加在靠近对称三平面的表面。，所以法向约束施加在靠近对称三平面的表面。 在端部顶面施加位移在端部顶面施加位移19.14mm以模拟试样端部受牵引。以模拟试样端部受牵引。实验数据实验数据(courtesy of Axel Products, Inc.) 以用作曲线拟合为目的。以用作曲线拟合为目的。will be used for curve-fitting purposes. 所用数据存放在文件所用数据
5、存放在文件 “NR_23C_ST_SCL_1_SEG38” (单轴单轴), “NR_23C_EB_SCL_1_SEG38” (轴对称轴对称), 和和“NR_23C_PT_SCL_1_SEG38” (平面平面)中。中。 本例中没有使用体积实验数据。本例中没有使用体积实验数据。(假定完全不可压缩假定完全不可压缩)。Yeoh模型将用于曲线拟合工作。模型将用于曲线拟合工作。对称边界条件对称边界条件(1/8 对称对称)仅在顶面施加仅在顶面施加UX位移位移February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanc
6、ed Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验2.进行进行Yeoh模型的拟合曲线数据模型的拟合曲线数据使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 选择选择“Structural Nonlinear Elastic Hyperelastic Curve Fitting”在在“Uniaxial test data for Material 1”中，选择中，选择 “Read From File”，并选择文件，并选择文件 “
7、NR_23C_ST_SCL_1_SEG38”，点击，点击“Open”数据内容将显示在对话框，点击数据内容将显示在对话框，点击“Next”继续继续 或命令输入方法：或命令输入方法：/PREP7TBFT,EADD,1,UNIA,NR_23C_ST_SCL_1_SEG38提示：提示：首先需要设置的实验数据是单轴拉伸数据。这以工程首先需要设置的实验数据是单轴拉伸数据。这以工程应变应变-工程应力格式存放在空格或列表工程应力格式存放在空格或列表-分界文本文件中。分界文本文件中。February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural Nonlinear
8、itiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验使用使用GUI菜单方法：菜单方法：在在“Biaxial test data for Material 1”，选，选“Read From File”，并选择文件，并选择文件 “NR_23C_EB_SCL_1_SEG38”，点击，点击“Open”。数据内容将显示在对话框，点击数据内容将显示在对话框，点击“Next”继续。继续。对于对于 “Shear test data for Material 1”重复该过程，重复该过程，使用使用“NR_23C_PT
9、_SCL_1_SEG38”作为数据读入的文作为数据读入的文件。件。对于对于“Volumetric test data for Material 1,” 为数为数据保留空格并点击据保留空格并点击“Next”。或命令输入方法：或命令输入方法：TBFT,EADD,1,BIAX,NR_23C_EB_SCL_1_SEG38TBFT,EADD,1,SHEA,NR_23C_PT_SCL_1_SEG38提示：提示：平衡轴向拉伸和平面拉伸平衡轴向拉伸和平面拉伸(剪切剪切)以相同的方式指定。这以相同的方式指定。这些文本文件也是针对具体的变形模式关于工程应变些文本文件也是针对具体的变形模式关于工程应变-工工程应力的
10、。本例中，未使用体积实验数据并假定为不程应力的。本例中，未使用体积实验数据并假定为不可压缩。可压缩。February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验使用使用GUI菜单方法：菜单方法：在对话框中输入在对话框中输入 “Solve for the following Function,” 选择选择“Hyperelastic Yeoh 3rd Order” 。这不是非线性曲
11、线拟合，所以没有需要初。这不是非线性曲线拟合，所以没有需要初始化的数据。需要首先使用规范化错误标准。始化的数据。需要首先使用规范化错误标准。点击点击“Solve”。显示确认。显示确认“Solution is Completed”的对话框，并且解得的系数和残数也出的对话框，并且解得的系数和残数也出现。现。点击点击“Plot” 以观察拟合曲线以观察拟合曲线或命令输入方法：或命令输入方法：TBFT,FADD,1,HYPER,YEOH,3TBFT,SOLVE,1,HYPER,YEOH,3,1,1000,0,0February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced St
12、ructural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验使用使用GUI菜单方法：菜单方法：为实验数据提供的三种设置图示实验数据为实验数据提供的三种设置图示实验数据-曲线拟合曲线拟合值。值。对比与非规范化值之间的差别。从左边树状列表选对比与非规范化值之间的差别。从左边树状列表选择择“Curve Fitting Data 1 Curve Fits Yeoh (Order 3)”在在 “Solve for the Following Function”对话框，对话框， 不
13、要选择不要选择“Use Normalized Error” 并点击并点击“Solve”.或命令输入方法：或命令输入方法：TBFT,PLOT,1,UNIA,HYPER,YEOH,3TBFT,PLOT,1,BIAX,HYPER,YEOH,3TBFT,PLOT,1,SHEA,HYPER,YEOH,3TBFT,SOLVE,1,HYPER,YEOH,3,0,1000,0,0提示：提示：在第在第8章的讨论中，第章的讨论中，第D部分，注释了规范化错误规范部分，注释了规范化错误规范认为所有数据点同等重要，而非规范化错误规范认为认为所有数据点同等重要，而非规范化错误规范认为具有大应力值的数据点更重要。具有大应力
14、值的数据点更重要。February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验使用使用GUI菜单方法：菜单方法：点击点击“Plot”以显示新的曲线拟合值。在非规范化以显示新的曲线拟合值。在非规范化值中，大应变值趋于符合得更好，最突出的是平衡值中，大应变值趋于符合得更好，最突出的是平衡轴向的情况。选择轴向的情况。选择 “Save&Close” 保存超弹性系数。保存超弹性系数。.o
15、r Command Input method:TBFT,PLOT,1,UNIA,HYPER,YEOH,3TBFT,PLOT,1,BIAX,HYPER,YEOH,3TBFT,PLOT,1,SHEA,HYPER,YEOH,3TBFT,FSET,1,HYPER,YEOH,3提示：提示：本练习中，单轴变形模式最重要，所以如果仅使用单本练习中，单轴变形模式最重要，所以如果仅使用单轴数据曲线拟合符合更好。但是，因为大多数产品不轴数据曲线拟合符合更好。但是，因为大多数产品不经历单轴应力状态，所以要使用所有的三种变形模式。经历单轴应力状态，所以要使用所有的三种变形模式。对于特定变形模式的次优匹配结果但仍然能反
16、映所有对于特定变形模式的次优匹配结果但仍然能反映所有的三种应力状态，这么做总体上还是较好的。的三种应力状态，这么做总体上还是较好的。February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities3.指定使用混合指定使用混合u-P配置配置SOLID185使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 选择选择“Type 1 SOLID185”点击点击Options
17、为为“Element formulation K6”选择选择“Mixed U/P”选择选择OK选择选择Close或命令输入方法：或命令输入方法：KEYOPT,1,6,1提示：提示：在早期阶段没有为曲线拟合提供的体积实验数据，在早期阶段没有为曲线拟合提供的体积实验数据，容积模数能估计，但相反，我们假定了完全不可容积模数能估计，但相反，我们假定了完全不可压缩，这需要使用混合压缩，这需要使用混合u-P配置。配置。(如果忘记打开如果忘记打开该设置，该设置，ANSYS将根据具体情况在完全不可压将根据具体情况在完全不可压缩超弹性分析中自动进行缩超弹性分析中自动进行)练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲
18、线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验4.指定非线性分析求解选项指定非线性分析求解选项使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Main Menu Solution Analysis Type Soln Control在在“Analysis Options”下选择下选择“Large Displacement Static”“Numb
19、er of substeps”中进入中进入“20”“Max no. of substeps”中进入中进入“1e3”“Min no. of substeps”中进入中进入“20”“Frequency”中选择中选择“Write every substep”点击点击OK或命令输入方法：或命令输入方法：/SOLUNLGEOM,ONNSUBST,20,1e3,20OUTRES,ALL,ALL提示：提示：因为超弹性材料经历了大应变，所以指定了大变形因为超弹性材料经历了大应变，所以指定了大变形分析。指定了子步数为分析。指定了子步数为20，所以我们跟踪载荷历史。，所以我们跟踪载荷历史。February 25,
20、 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验5.求解非线性模式求解非线性模式使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Main Menu Solution Solve Current LS查看状态窗口后，关闭并选择查看状态窗口后，关闭并选择“File Close”开始分析，点击开始分析，点击OK或命令输入方法：或命令输入方法：SOLVE提示：提示：因为是非线性分析，求解需要一些时间，这和使用硬
21、件因为是非线性分析，求解需要一些时间，这和使用硬件有关。有关。查看求解窗口查看求解窗口(/STAT,SOLU)以保证求解设置的正确总以保证求解设置的正确总是必要的。在本例子中，问题维数是必要的。在本例子中，问题维数(3D 具有具有UX, UY, UZ 自由度自由度)，非线性几何效应，子步数和输出结果频率都，非线性几何效应，子步数和输出结果频率都是最重要的设置。是最重要的设置。February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B
22、: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验6.图示图示z方向应变方向应变使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Main Menu General Postproc Read Results Last Set在最后子步中读入在最后子步中读入Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 选择选择“Elastic Strain Z-Component of elastic strain”在在“Undisplaced shape key” 下拉菜单中选择下拉菜单中选择“Deformed shape with
23、undeformed edge”点击点击OK图示图示z方向应变方向应变(通过厚度通过厚度)或命令输入方法：或命令输入方法：/POST1SET,LASTPLNSOL,EPEL,Z,2February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验7.图解扩展模型图解扩展模型使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry E
24、xpansion User Specified Expansion “No. of repetitions”的所有三种情况输入的所有三种情况输入“2”。“Repeat Pattern”的所有三种情况选择的所有三种情况选择“Alternate Symm” x, y, z增量分别输入增量分别输入“1e-6”点击点击OK， 1/8对称模型将以全模型图解结果显示对称模型将以全模型图解结果显示或命令输入方法：或命令输入方法：/EXPAND,2,RECT,HALF,1e-006,2,RECT, HALF,1e-006,2,RECT,HALF,1e-006,/REPLOT提示：提示：因为几何体和载荷是关于三
25、平面对称，求解因为几何体和载荷是关于三平面对称，求解1/8模型是模型是更有效的。然而，我们当前目的是显示全模型。更有效的。然而，我们当前目的是显示全模型。February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验8.图示主应力向量图示主应力向量使用使用GUI菜单方法：菜单方法：Main Menu General Postproc Plot Results Vector Plo
26、t Predefined在左列中选择在左列中选择“Stress” ，从右列中选择，从右列中选择“Principal S” 点击点击OK以图示主应力向量以图示主应力向量或命令输入方法：或命令输入方法：PLVECT,S,VECT,ELEM,ON,0提示：提示：放大试样中间部分，通过查看主应力向量，因为仅仅放大试样中间部分，通过查看主应力向量，因为仅仅存在存在S1向量，向量， S2/S3为负值，能证明应力状态确实是为负值，能证明应力状态确实是单轴的。单轴的。February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAd
27、vanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验ANSYS总是报告真实的应力应变值，因为那些是实际材料响应的反映。某些情况下，例如拉伸总是报告真实的应力应变值，因为那些是实际材料响应的反映。某些情况下，例如拉伸实验再现的例子，工程应力和应变输出或许要求和实验值做对比。实验再现的例子，工程应力和应变输出或许要求和实验值做对比。 如果考虑为不可压缩，原始的如果考虑为不可压缩，原始的 (脚标脚标o) 和变形的和变形的 (脚标脚标i)体积必须相等。在该假设前提下，能把体积必须相等。在该假设前提下，能把真实应力和应变
28、与工程应力和应变联系起来，如右所示。真实应力和应变与工程应力和应变联系起来，如右所示。方程式的简单重排提供了我们必需的将真实应力转换为工程应力的公式。下一步将使用这些方程方程式的简单重排提供了我们必需的将真实应力转换为工程应力的公式。下一步将使用这些方程式。式。 February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验9.图示工程应力和应变结果图示工程应力和应变结果使用使用
29、GUI菜单方法：菜单方法：Main Menu TimeHist Postpro时间历程变量观察器将出现，如右所示。时间历程变量观察器将出现，如右所示。压缩变量观察屏幕，以便更清楚地看到网格。选择压缩变量观察屏幕，以便更清楚地看到网格。选择双箭头上滚按钮以最小化计算器和变量部分。双箭头上滚按钮以最小化计算器和变量部分。选择选择“+” (加数据加数据)按键按键从从“Add Time-History Variable”对话框，选择对话框，选择 “Nodal Solution Elastic Strain X-Component of Elastic Strain”.打入打入“TRUE_STRAIN”
30、 for “Variable Name”并点击并点击OK快速选取一节点，拾取试样中心附近地任意一节点快速选取一节点，拾取试样中心附近地任意一节点(如如282)。注明节点号。注明节点号(拾取窗口内显示的拾取窗口内显示的)并点击并点击 “Apply”.或命令输入方法：或命令输入方法：/POST26NUMVAR,200ANSOL,2,node(0,0,0),EPEL,X,TRUE_STRAINFebruary 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练
31、习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验使用使用GUI菜单方法：菜单方法：从从“Add Time-History Variable” 对话框，选择对话框，选择 “Nodal Solution Stress X-Component of Stress”.为变量为变量“Variable Name” 打入打入“TRUE_STRESS” 并点击并点击 OK将快速选择一个节点，在拾取窗口中进入用于弹性将快速选择一个节点，在拾取窗口中进入用于弹性应变的相同的节点号。打入应变的相同的节点号。打入Enter，节点将出现在，节点将出现在屏幕上，点击屏幕上，点击OK或命令输入方法：或
32、命令输入方法：ANSOL,3,node(0,0,0),S,X,TRUE_STRESSFebruary 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验使用使用GUI菜单方法：菜单方法：通过选择双箭头下滚动按键使时间历程观察器再次通过选择双箭头下滚动按键使时间历程观察器再次最大化最大化在变量观察器的计算其部分，为方程式左边打入在变量观察器的计算其部分，为方程式左边打入 “ENG_STR
33、AIN”在计算器面板的左底部点击在计算器面板的左底部点击“INV” 按钮按钮选择方程式右边，点击选择方程式右边，点击“ex”启动指数功能，接着启动指数功能，接着从发射菜单中选择从发射菜单中选择“TRUE_STRAIN” 。将。将 “exp(TRUE_STRAIN)”放入右边方程式。放入右边方程式。最后，方程式中打入最后，方程式中打入“-1”并选择并选择Enter 完成方程式。完成方程式。在变量窗口中显示在变量窗口中显示“ENG_STRAIN”或命令输入方法：或命令输入方法：EXP,200,2FILLDATA,194,-1,0ADD,4,200,194,ENG_STRAINFebruary 25
34、, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验使用使用GUI菜单方法：菜单方法：方程式左边输入方程式左边输入“ENG STRESS”选择，选择， 将光标移到方程式右边开始处，从下拉菜单将光标移到方程式右边开始处，从下拉菜单选择选择 “TRUE_STRESS” 。以。以“/”为分段标志，删除为分段标志，删除方程式最后部分，方程式最后部分， “-1”选择选择Enter以完成方程式以完成方程
35、式为为“X-Axis”选择选择“ENG_STRAIN”强调强调“ENG_STRESS”并点击并点击“Graph Data”按钮按钮或命令输入方法：或命令输入方法：FILLDATA,199,1,0ADD,200,199,4QUOT,5,3,200,ENG_STRESSXVAR,4PLVAR,5February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验提示：提示：将显示工程应力将
36、显示工程应力-应变计算值。应变计算值。(选择滚动向上的双箭选择滚动向上的双箭头隐藏变量列示和时间历程观察器中的计算器部分，头隐藏变量列示和时间历程观察器中的计算器部分，如前面一样，以更容易观察曲线如前面一样，以更容易观察曲线)。轴标签，曲线颜色和别的观察设置可以通过轴标签，曲线颜色和别的观察设置可以通过“Utility Menu PlotCtrls Style Graphs”改变。改变。如我们所料，响应和使用数据相似。如我们所料，响应和使用数据相似。(作为一个练习，使用者能使用作为一个练习，使用者能使用 *TREAD读入实验数据读入实验数据到表格，以到表格，以*VPLOT旁边的转换到表格的旁边
37、的转换到表格的/POST26变变量。量。)February 25, 2005Workshop SupplementAdvanced Structural NonlinearitiesAdvanced Structural Nonlinearities练习练习 8B: 超弹性曲线拟合超弹性曲线拟合 简单拉伸实验简单拉伸实验工程应力工程应力-应变图示和前面的曲线拟合工作中显示的相同。应变图示和前面的曲线拟合工作中显示的相同。通过使用真实的和工程值的简单关系，在近似和完全不可压缩行为中很容易转换。通过使用真实的和工程值的简单关系，在近似和完全不可压缩行为中很容易转换。February 25, 2005结束结束
