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我所常用的材料:Mises塑性2

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接上回:我所常用的材料:Mises塑性

上次已经说到,应变变化率与应力变化率之间的关系

 
 

由于这里    与当前的应力状态相关,硬化系数     也与当前的应力状态相关,总的来说我们需要在单元积分点处根据其应变增量得到其真实的应力状态,通常采用迭代的方法确定真实的应变增量,具体可以分为两个类型的方法:

  1. 向后Euler法 (需要积分点级别的Newton迭代)
  2. 向前Euler法

一般来说对于显式分析我们可能采用向前欧拉法,根据当前的应力状态,应变增量逐步计算出来应力增量,而不进行残差方面的校核(或只在最后进行一个简单的修正)。而一般对于隐式分析,我们则一般采用向后Euler方法,这里也重点介绍这个。

 


现在我们认为有如下的公式:

 
 

其中    代表着第     步的应变、应力状态,     ,为第    步骤的试应力,也就是说未必是真实的,需要进行修正,后边的     则就是对其的修正,具体可以结合上图理解为,我先试着用当前的应变与上一步的塑性应变进行一个试应力的计算,不行我再沿着n方向修正回来,这里的n为一个2阶张量,在上一期中又说,对于Mises塑性就为f的梯度。 那么现在结合着最开始的塑性公式    

在仅考虑Isotropic hardening的情况下(强化因子可以由应力应变状态之后计算出来,而Kinematic则不行,这里先以Isotropic hardening为例,比较简单),那么我们有7个未知数,7条公式 (应力有6个公式,     有1个),且是个非线性方程组(    与当前的应力状态相关),那么我们可以将上述方程联立进行Netwon-Raphson求解

 
 

在牛顿法中经典的思路就是对函数的变量求偏导,乘上变量的增量,去逐步的减少残差,以直代曲,所以我们有:

 
 

最后得到

 
 

这样通过逐步的迭代,消除残差,当    的时候,最终我们就得到了    步的应力、应变、弹性应变、塑性应变状态。而这样计算出来的应力应变才是我们有限元计算中塑性材料应力应变的由来,而并不是给定一条材料曲线直接去根据材料曲线查表。

所以大家可以看到对于Mises塑性材料的非线性分析,这里是有两个Newton-Raphson迭代的,外层的迭代进行整体级别的迭代,计算    , 而内层的迭代发生在每个单元积分点级别,通过迭代确定每个积分点处真实的应变应力状态,进而基于这个真实应力应变状态才能确定全局级别的切线刚度矩阵。而对于后续的切线刚度矩阵有consistent与continumm之分,下次再说说这个



来源:大狗子说数值模拟
非线性UM材料
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首次发布时间:2024-12-25
最近编辑:11小时前
大狗子说数值模拟
博士 传播国际一流的数值模拟算法
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有限元基础知识:非线性分析

线性静力学线性静力学大家都非常熟悉,无论是从结构力学的桁架、梁体系出发,还是从弹性力学的平面应力、应变出发,或是从偏于数学的变分理论出发,我们都拿线性静力学作为初始案例。我们在有限元中计算单元的刚度矩阵,并组装成整体的刚度矩阵,通过多种方式施加边界条件进而进行求解,得到以下的公式其中为刚度,为位移,为外力,这个其实也非常向我们最熟悉的胡克定律,即你知道弹簧的刚度,知道力算弹簧的伸长量。非线性静力学那么非线性静力学又是什么样子呢,或者说非线性分析又是什么样呢,总的来说我们可以把上述的式子改造一下这里表示刚度是位移的函数,也就是说刚度是随着位移的变化而变化的,比如一个弹簧伸长率为0.1的时候他的刚度是1N/mm,伸长率为0.5的时候刚度为0.5N/mm。另外表示外力也是随着位移的变化而变化的,想象气球的内压力,其实一直垂直于气球的表面,但是气球的形状可以改变,当气球的形状改变时也就造就了外力的变化。一般情况下教科书上肯定不会像上述这样描述一个非线性问题,但事实就是,非线性问题到头来的本质就是或者并不是一个定值了。通常来说,有三种因素会导致上述变化(我们生活中大部分问题都是非线性的,只是我们为了计算方便很多时候简化为线性):材料非线性大变形(几何非线性)接触(边界非线性)材料非线性正如大家熟悉的应力应变曲线,大家可以看到其并不是一条直线,我们通常所说的弹性模量,对于金属来说一般也指的就是初始段的弹性模量。那么我们可以看到应力与应变边的关系并不是一个常数。由于有限元中应变是由于位移计算而来的,所以我们可以看到,刚度矩阵是一个随着位移变化的量。大变形正如上述说的气球问题,当变形比较大的时候,物体的形状、位置都发生较大的改变,刚度矩阵同样随着位置进行改变,且如果有上述气球中的那种一直保持着垂直的气压,那么外力也随着变形进行改变。接触上述两种非线性大家一般在教科书中都有学到,但是很少有有限元的教科书会讲一下接触,或是讲的一般非常简短,其实接触非线性也很好理解,当两个物体发生接触的时候,两个物体的边界(接触边界),边界上的力(接触力)不断地随着变形的变化而发生变化,这也就造成了与都随着的变化而变化。对于接触方面的简单描述大家也可以先看结构仿真小知识:点对面及面对面很多不是很熟悉Abaqus的朋友们,第一次用这种软件就用Static分析,而Static分析其实是通用分析,指的就是非线性静力学,而如果想用线性静力学,则需用到Linearperturbation中的linearstatic。求解非线性问题求解非线性问题的办法也有很多,最为常见的就是牛顿法,牛顿法的基本思想就是根据当前的状态求出切线矩阵,并求出残余向量,进行位移增量的求解,即:这本质上是一种“以直代曲”的思想去逐步迭代接近真实值,如下图所示:pic而对于具体的怎么求解,针对不同的材料本构、大变形单元算法及接触算法均有不同的推导,今天就不进行详细的介绍了。为了帮助大家更好的理解非线性牛顿迭代中的由来,结合着差分,下次讲一下差分与线性化。来源:大狗子说数值模拟

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