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记忆合金、等12种非线性材料的单轴拉伸模拟

芷行说

1年前浏览2753

本文共2403字，3图。

预计阅读时间：3分钟。

芷行说往期内容设计的内容相对来说还是挺复杂的，每一个案例都可以深挖一下，案例复杂，比较专业性也就意味着只会对相对较少朋友有所帮助。因此，芷行决定，提高一下高度和视野，更新一些更实用的一些案例，当然，类似往期比较专业的案例文章也会更新。

进入正题

简言之，本文主要讲解了12种常见的非线性材料在ANSYS中定义和使用。文后给出了具体的使用命令流。这里以记忆合金为例子进行一次单轴拉伸模拟，来求解记忆合金的应力-应变关系。

计算结果

记忆合金的本构关系：

模型建立

针对以下图例所示模型，边长L的正方形块，约束左边的X自由度和底部的Y自由度，在顶部施加均匀压力载荷。这样一个单轴拉伸模拟可以用平面单元建立，也可以用实体单元建立，区别不大。

材料参数

非线性材料的使用的关键是材料的定义，ANSYS中提供了多种非线性材料本构模型，包括：各向异性超弹性材料模型、铸铁材料模型、塑性材料模型、复合材料模型、流体材料模型、泡沫材料模型、混泥土材料模型定义、粘塑性材料模型、粘弹性材料模型、内聚力模型、多重弹性材料、压电材料模型、形状记忆合金材料模型、显示弹簧阻尼材料模型、各向异性弹性矩阵定义、各项异性塑性材料模型、双线性各向异性硬化模型、双线性随动硬化模型、各向异性导电性模型、各向异性导磁性模型、各向异性电极化模型、垫片材料模型、蜂窝材料模型、超弹性材料模型、膨胀参数模型等，还有很多较复杂的材料本构模型以及可以用户自定义材料本构模型。

以记忆合金为例子具体介绍，记忆合金材料的定义除了定义基本弹性模量参数和泊松比参数，关键是定义记忆合金的本构关系。如图给出记忆合金的本构关系，因此记忆合金的使用，还需要定义图中的几个关键参数。

了解了记忆合金的本构关系，具体的定义其实很简单，如下命令流中TB,SMA,1 ：定义1号材料为记忆合金本构模型

此后，需要通过TBDATA指定记忆合金本构关系中的几何参数，依次为：

TBDATA,1,520,600,300,200,0.07,0 !* SHAPE MEMORY ALLOY

MP, EX, 1, 60.0E3               !* MPAMP,NUXY, 1, 0.3TB,SMA,1  !定义形状记忆合金材料TBDATA,1,520,600,300,200,0.07,0 !* SHAPE MEMORY ALLOY

求解设置

为通过单轴拉伸验证材料的本构关系，即求出材料的应力应变关系，求解设置中分为加载和卸载。

/SOLUNLGEOM,ONNSUBST,100,100,100OUTRES,ALL,1NSEL,S,LOC,Y,10SF,ALL,PRES,-600        !* 1ST LOAD STEP -- LOAD THE MODELNSEL,ALLSOLVE   ！加载NSEL,S,LOC,Y,10SF,ALL,PRES,0          !* 2ND LOAD STEP -- UNLOAD THE MODELNSEL,ALLSOLVE   ！卸载FINISH

后处理

后处理主要提取材料应力应变关系

/POST26ESOL,2,1,103,S,EQV           !* EQUIVALENT STRESS AT NODE 103ESOL,3,1,103,EPEL,EQV        !* ELASTIC STRAIN AT NODE 103ESOL,4,1,103,EPPL,EQV        !* PLASTIC STRAIN AT NODE 103ADD,5,3,4                    !* TOTAL STRAIN AT NODE 103PROD,6,5, , ,STRAIN, , ,100  !* PERCENT TOTAL STRAINXVAR,6/AXLAB,X,Strain[%]/AXLAB,Y,Stress [MPa]/YRANGE,0,700                !* SET Y-RANGE/XRANGE,0,8                  !* SET X-RANGE/GROPT,DIVY,7PLVAR,2                      !* PLOT TOTAL STRAIN VS EQV STRESSPRVAR,2,5FINISH

附录：12种非线性材料的定义与使用

（1）各向同性弹性：碳钢

MP,ex,1,210e9  ! Pa MP,nuxy,1,.29  ! No units MP,dens,1,7850  ! kg/m3

（2）正交各项异性弹性：铝203

MP,ex,1,307e9  ! Pa MP,ey,1,358.1e9  ! Pa MP,ez,1,358.1e9  ! Pa MP,gxy,126.9e9  ! Pa MP,gxz,126.9e9  ! Pa MP,gyz,126.9e9  ! Pa MP,nuxy,1,.20  ! No units MP,nuxz,1,.20  ! No units MP,nuyz,1,.20  ! No units MP,dens,1,3750  ! kg/m3

（3）各项异性弹性：镉

MP,dens,3400  ! kg/m3 TB,ANEL,1   TBDATA,1,121.0e9  ! C11 (Pa) TBDATA,2,48.1e9  ! C12 (Pa) TBDATA,3,121.0e9  ! C22 (Pa) TBDATA,4,44.2e9  ! C13 (Pa) TBDATA,5,44.2e9  ! C23 (Pa) TBDATA,6,51.3e9  ! C33 (Pa) TBDATA,10,18.5  ! C44 (Pa) TBDATA,15,18.5  ! C55 (Pa) TBDATA,21,24.2  ! C66 (Pa)

（4）橡胶材料

MP,gxy,1,104e7  ! Pa 
Mooney-Rivlin: Rubber MPMOD,1,8   MP,dens,1,.0018  ! lb/in3 MP,nuxy,1,.499  ! No units TB,MOONEY,1   TBDATA,1,80  ! C10 (psi) TBDATA,2,20  ! C01 (psi)

（5）粘弹性：G-11玻璃

MP,dens,1,2390  ! kg/m3 TB,EVISC,1   TBDATA,46,27.4e9  ! Go (Pa) TBDATA,47,0.0  ! (Pa) TBDATA,48,60.5e9  ! Bulk modulus (Pa) TBDATA,61,.53  ! 1/

（6）双线性各向同性塑性材料:镍合金

MP,ex,1,180e9  ! Pa MP,nuxy,1,.31  ! No units MP,dens,1,8490  ! kg/m3 TB,BISO,1   TBDATA,1,900e6  ! Yield stress (Pa) TBDATA,2,445e6  ! Tangent modulus (Pa)

（7）横观各向异性弹塑性：1010钢

MP,ex,1,207e9  ! Pa MP,nuxy,1,.29  ! No units MP,dens,1,7845  ! kg/m3 TB,PLAW,,,,7   TBDATA,1,128.5e6  ! Yield stress (Pa) TBDATA,2,202e5  ! Initial strain at failure TBDATA,3,1.41  ! r-value TBDATA,4,1  ! Yield stress vs. plastic strain curve (see EDCURVE below) Strain(1) = 0,.05,.1,.15,.2 YldStres(1)=207e6,210e6,214e6,218e6,220e6 ! yield stress EDCURVE,ADD,1,Strain (1),YldStres(1)

（8）随动塑性：1018钢

MP,ex,1,200e9  ! Pa MP,nuxy,1,.27  ! No units MP,dens,1,7865  ! kg/m3 TB,PLAW,,,,1   TBDATA,1,310e6  ! Yield stress (Pa) TBDATA,2,763e6  ! Tangent modulus (Pa) TBDATA,4,40.0  ! C (s-1) TBDATA,5,5.0  ! P TBDATA,6,.75  ! Failure strain

（9）双线性随动塑性：钛合金

MP,ex,1,100e9  ! Pa MP,nuxy,1,.36  ! No units MP,dens,1,4650  ! kg/m3 TB,BKIN,1   TBDATA,1,70e6  ! Yield stress (Pa) TBDATA,2,112e6  ! Tangent modulus (Pa)

（10）应变率相关塑性：4140钢

MP,ex,1,209e9  ! Pa MP,nuxy,1,.29  ! No units MP,dens,1,7850  ! kg/m3 TB,PLAW,,,,5   TBDATA,1,1  ! LCID yield stress vs. strain rate (see first EDCURVE command below) TBDATA,2,22e5  ! Tangent modulus (Pa) TBDATA,3,2  ! LCID Elastic modulus vs. strain rate (see second EDCURVE command below) StrnRate(1) = 0,.08,.16,.4,1.0 YldStres(1) = 207e6,250e6,275e6,290e6,300e6 ElasMod(1) = 209e9,211e9,212e9,215e9,218e9 EDCURVE,ADD,1,StrnRate(1),YldStres(1) EDCURVE,ADD,2,StrnRate(1),ElasMod(1)

（11）刚性材料：钢

MP,ex,1,207e9  ! Pa MP,nuxy,1,.3  ! No units MP,dens,1,7580  ! kg/m3 EDMP,rigid,1,7,7

全文结束，感谢阅读。

来源：芷行说

复合材料非线性材料 ANSYS

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首次发布时间：2023-09-12