弄明白塑性材料拉伸试验仿真过程

      在做拉伸试验时，试棒的结构尺寸都是基于国标或者试验规范，本文采用ASTM E8/E8M-16a的试验规范制作样件，样件的尺寸系列见下图：

      材料的本构模型是影响结构仿真精度、效果的重要因素。在拉伸试验仿真中，本文采用Johnson-Cook本构模型，该模型由塑性应变、应变速度和温度三部分组成，并且在该模型中没有考虑到三者之间的耦合影响，无法对复杂的切削过程中的材料力学性能进行准确的描述。该模型也成为硬化模型，JC本构模型中应力应变关系式如下：

      除了上面的模型外还有JC损伤模型，具体如下：

      上面的模型JC硬化模型相似，其中为静水压比上米塞斯应力，在查资料时，其前面的系数D3常为负值，表示材料的断裂应变随应力三轴度的增大而减小。意味着材料在受拉状态下更容易发生失效，而在受压状态下不容易发生断裂失效。在abaqus中为压力比上米塞斯应力(正号表示拉伸、负号表示压缩)，因此可以在进行仿真分析时可以将D3手动调正即可。

      与该模型是典型的经验本构方程，主要考虑了材料动态变形过程中的宏观变形行为和力学性能，无法对材料变形过程中的微观组织机理进行探究。式中各项参数可以通过试验的方法进行标定获得。

1.零部件导入

      前面我们已经做好了1/4的结构件，然后将step格式的试棒导入到abaqus中的part里。

图3.结构导入

2.材料参数设置

      在仿真分析前，我们可以在文献或材料中查找JC硬化模型参数及损伤参数，有条件的可以通过试验拟合出合适的参数，本文仿真所用到的参数见下表：

        首先，密度和弹性属性设置如下，采用的单位为mm、T、s单位：

图4.弹性属性设置

     再选择塑性材料设置，然后在硬化模型里(Hardening)选择JC本构模型并键入上表中的属性，在下面的属性里我们不考虑应变率及温度的影响，具体如下：

图5.塑性硬化模型设置

    然后再添加JC损伤参数，在d1栏中输入上表中的断裂应变：

图6.JC损伤模型设置

      同时为了在仿真中能够显示断裂的过程，还需要加上损伤演化参数，具体设置如下图：

图7.损伤演化参数设置

     然后按照下图建立截面属性：

图8.截面属性设置

       最后将材料附属给结构，选中结构后，选择下面的Done，如下图，附属成功后结构的颜色变为浅绿色。

图9.材料参数附属

3.结构装配及参考点设置

       在Module中选择装配，然后点击左上角第一个图标，点击ok，完成装配体的建立：

图10.结构的装配

     由于试棒的两端需要夹持，所以可以在试棒两端各建立一个参考点，用于后面建立耦合关系进行固定及拉伸：

图11.参考点建立

4.载荷步设置

       载荷步设置选择显示动力学分析，总的仿真时间设置为100s，并开启大变形，质量缩放系数设置为：100000。

图12.载荷步及质量缩放系数设置

5.场输出及历史输出设置

      在场输出设置中，除默认设置外，还需要选择状态选项下的STATUS,status，该选项是为了显示试棒的颈缩及断开。

图13.场输出设置

      在历史输出中首先输出移动端的约束反力及移动位移(都是X方向的及位移:U1,RF1)，所以选择右侧参考点(基于右侧参考点所建立的set集)，用于后面输出位移和力的曲线：

图14.历史输出设置

6.约束及边界

       首先选择左侧的参考点与左侧的加持面建立耦合约束，类似于rbe2连接，同理右侧参考点与右侧加持面建立耦合约束，具体设置如下：

图15.耦合约束建立

       由于采用的是1/4试棒，所以采用对称约束，两个侧面分别约束法向的位移，具体如下：

图16.对称约束

      在initial载荷步中，在左侧参考点建立固定约束，然后在step1载荷步建立X向速度约束，其中速度可根据实际试验拉伸速度设置，模拟准静态试验过程，本文选0.1mm/s作为拉伸速度：

图17.固定和速度约束

完成后的边界约束如下图：

7.网格划分

         在网格划分中，夹持端网格可以划分的粗些，然后过度圆角及中间试棒处可划分的细些：

图18.试棒网格划分

        划分网格后将网格类型改为显式动力学的网格类型，并在Element deletion后面选择yes，从而更好的显示断裂效果。

图19.网格类型设置

       设置完网格后，就可以提交仿真作业，具体如下，设置选项默认即可(在精度方面可以选择双精度)：

图20.提交作业

        计算完成后拉伸动画如下所示：