用ANSYS模擬圓棒拉伸出現(xiàn)頸縮問(wèn)題

1、用ANSYS模擬圓棒拉伸出現(xiàn)頸縮問(wèn)題1 問(wèn)題描述設(shè)圓棒長(zhǎng)l=200mm，為誘導(dǎo)頸縮的出現(xiàn)，取圓棒棒中截面直徑D=40mm。材料彈性模量E=175MPa，泊松比=0.3。假設(shè)為各向同性硬化材料，拉長(zhǎng)18mm。2 ANSYS對(duì)問(wèn)題的簡(jiǎn)化分析由于圓棒的對(duì)稱性，取1/4圓棒進(jìn)行分析。在考慮到圓棒具有縱向?qū)ΨQ軸，選擇軸對(duì)稱單元。3 ANSYS操作步驟3.1 定義工作路徑/filename,yanglan /title,shiyan1 /prep7 3.2 選擇單元類型et,1,106選擇106軸對(duì)稱平面單元。3.3 定義材料常數(shù)mp,ex,1,175000 mp,dens,1,7850 mp,nuxy,

2、1,0.3根據(jù)已知，用多段線性輸入材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，第一組應(yīng)力應(yīng)變值應(yīng)滿足屈服強(qiáng)度和彈性模量，即。tb,miso,1,23tbpt,defi,0.002,350 tbpt,defi,0.004,493tbpt,defi,0.006,582tbpt,defi,0.008,674tbpt,defi,0.010,727tbpt,defi,0.011,697tbpt,defi,0.012,720tbpt,defi,0.013,700tbpt,defi,0.014,759tbpt,defi,0.016,804tbpt,defi,0.018,868tbpt,defi,0.020,892tbpt,defi,

3、0.022,940tbpt,defi,0.024,992tbpt,defi,0.026,1000tbpt,defi,0.028,1006tbpt,defi,0.030,1010tbpt,defi,0.032,1013tbpt,defi,0.034,1015tbpt,defi,0.036,1017tbpt,defi,0.038,1019tbpt,defi,0.040,1021tbpt,defi,0.042,1022tbplot,miso,1應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3-1 所示。圖3-1 應(yīng)力應(yīng)變曲線3.4 建模及分網(wǎng)采用軸對(duì)稱單元時(shí)，模型建在第一象限。k,1,0,0k,2,100,0k,3,100,20

4、k,4,0,20a,1,2,3,4/pnum,line,1/pnum,kp,1lesize,1,30,2.5lesize,3,30,0.4lesize,4,20lesize,2,20amesh,allsavefini分網(wǎng)結(jié)果如圖3-2所示。圖3-2 單元體分網(wǎng)對(duì)線狀的幾何模型用幾個(gè)單元和構(gòu)成單元的節(jié)點(diǎn)來(lái)形成（有限元）模型。此時(shí)，在有限元法中因?yàn)槭窃诠?jié)點(diǎn)的位置上能夠得到模型的位移，所以在想要得到位移的位置上，一定要設(shè)置節(jié)點(diǎn)。3.5 施加邊界條件底邊界uy=0，左邊界ux=0，在右邊界施加非零位移模擬軸向的拉伸變形。/solulsel,s,4nsll,s,1d,all,ux,0allsellsel

5、,s,1nsll,s,1d,all,uy,0allsellplotlsel,s,2nsll,s,1,d,all,uy,0d,all,ux,18allsel在x,y軸方向分別加上載荷，并限制自由度，在x沿軸方向上拉伸18mm，在y軸上不增加位移，如圖3-3(a)-(d)所示。(a) (b)(c) (d)圖3-3(a)-(d) 添加載荷及位移3.6 求解設(shè)置及求解選擇Static求解，選擇大變形分析，時(shí)間步設(shè)為1，子步設(shè)為60，定義每隔十步輸出一次計(jì)算結(jié)果。nlgeom,onautots,onsstif,ontime,1neqit,20nsubst,60pred,onoutres,all,alla

6、llselsolvefini4 ANSYS計(jì)算結(jié)果4.1 正常結(jié)束輸出的變形、應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變結(jié)果的有限元網(wǎng)格圖見(jiàn)圖4-1至圖4-2。計(jì)算得到的最小截面應(yīng)力和軸向應(yīng)力的平均值和最大值均可由圖上讀出。由圖可以看出，在經(jīng)過(guò)了一定的時(shí)間后應(yīng)力值均有了顯著下降。在彈性階段在根部產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力分布和軸向應(yīng)力分布類似。應(yīng)力在最小截面上基本上均布。以最大載荷點(diǎn)作為頸縮的開(kāi)始，頸縮以后，卸載點(diǎn)由一個(gè)點(diǎn)逐步形成一個(gè)區(qū)，而且越來(lái)越大，首先出現(xiàn)于試件端部的中央，隨著試件的不斷伸長(zhǎng)，卸載區(qū)逐漸擴(kuò)大，加載區(qū)逐漸縮小，并越來(lái)越集中于頸部。由圖可見(jiàn)，頸縮以后變形越來(lái)越集中頸部的那幾個(gè)單元。圖4-1 有限元網(wǎng)格圖(a

7、)(b)圖4-2(a)(b) 變形、應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變結(jié)果4.2 異常結(jié)束當(dāng)強(qiáng)制將x軸向位移加大至19或20以上，根據(jù)以上結(jié)果，試樣將被拉斷，因此求解異常結(jié)束，圖4-3為子步無(wú)終止的求解過(guò)程。圖4-3 子步無(wú)終止的求解過(guò)程5 學(xué)習(xí)心得5.1 將ANSYS的學(xué)習(xí)緊密與工程力學(xué)專業(yè)結(jié)合起來(lái)毫無(wú)疑問(wèn)，剛開(kāi)始接觸ANSYS時(shí)，如果對(duì)有限元，單元，節(jié)點(diǎn)，形函數(shù)等有限元單元法及程序設(shè)計(jì)中的基本概念沒(méi)有清楚的了解話，那么學(xué)ANSYS很長(zhǎng)一段時(shí)間都會(huì)感覺(jué)還沒(méi)入門，只是在僵硬的模仿，即使已經(jīng)了解了，在學(xué)ANSYS之前，也非常有必要先反復(fù)看幾遍書(shū)，加深對(duì)有限元單元法及其基本概念的理解。視的，這可能是造成許多人花了

8、很多時(shí)間學(xué)ANSYS，而實(shí)際應(yīng)用能力卻很難提高的一個(gè)重要原因。 5.2網(wǎng)格劃分對(duì)于面網(wǎng)格劃分，不需要考慮映射條件，直接對(duì)整個(gè)模型使用以下命令， MSHAPE,0,2D MSHKEY,2 ESIZE,SIZE 控制單元的大小，保證長(zhǎng)邊上產(chǎn)生單元的大小與短邊上產(chǎn)生單元的大小基本相等。 5.3 加載求解對(duì)于有限元模型的加載，相對(duì)而言是一件比較簡(jiǎn)單的工作，但當(dāng)施加載荷或邊界條件的面比較多時(shí)，需要使用選擇命令將這些面全部選出來(lái)，以保證施加的載荷和邊界條件的正確性。在ANSYS求解過(guò)程中，有時(shí)發(fā)現(xiàn)，程序并沒(méi)有錯(cuò)誤提示，但結(jié)果并不合理，這就需要有一定的力學(xué)理論基礎(chǔ)來(lái)分析問(wèn)題，運(yùn)用一些技巧以加快問(wèn)題的解決。對(duì)

9、于非線性分析，一般都是非常耗時(shí)的，特別是當(dāng)模型比較復(fù)雜時(shí)，怎樣節(jié)約機(jī)時(shí)就顯得尤為重要。當(dāng)一個(gè)非線性問(wèn)題求解開(kāi)始后，不用讓程序求解完后，發(fā)現(xiàn)結(jié)果不對(duì)，修改參數(shù)，又重新計(jì)算。而應(yīng)該時(shí)刻觀察求解的收斂情況，如果程序出現(xiàn)不收斂的情況，應(yīng)終止程序，查看應(yīng)力，變形，等結(jié)果，以調(diào)整相關(guān)設(shè)置；即使程序收斂，當(dāng)程序計(jì)算到一定程度也要終止程序觀看結(jié)果，一方面可能模型有問(wèn)題，另一方面邊界條件不對(duì)，特別是計(jì)算子模型時(shí)，數(shù)據(jù)輸入的工作量大，邊界位移條件出錯(cuò)的可能性很大，因而要根據(jù)變形結(jié)果來(lái)及時(shí)糾正數(shù)據(jù)，以免浪費(fèi)機(jī)時(shí)，如果結(jié)果符合預(yù)期的話，可通過(guò)重啟動(dòng)來(lái)從終止的點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算。在做非均勻材料拉伸模擬材料頸縮現(xiàn)象的有限元數(shù)值計(jì)算時(shí)，對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，一端固定，另一端加一個(gè)X方向的位移，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在施加X(jué)方向的位移的一排