仿真笔记——有限元分析材料非线性问题详解
引起结构的刚性发生变化的原因主要有三种：
1）状态变化：系统的刚度由于状态的改变在不同值之间会突然变化。状态的改变可能和载荷有关，也可能是因为外部条件的原因。
2）几何非线性：如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性响应。
3）材料非线性：非线性的应力-应变关系是造成结构非线性的常见原因。许多因素可以影响材料的应力-应变性质，包括加载历史(如在弹塑性响应状况下)，环境状况(如温度)加载的时间总量(如在蠕变响应状况下)。
如果材料的应力-应变关系是非线性的或者跟速度相关，必须利用TB命令族(,TBTEMP, TBDATA TBPT TBCOPY TBLIST TBPLOT TBDELE) (GUI: MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Nonlinear) 用数据表的形式来定义非线性材料特性。下面对不同材料非线性行为做简单介绍。
1.塑性
塑性是一种不可恢复、与路径相关的变形现象。换句话说，施加载荷的次序以及在何种塑性阶段施加将影响最终的结果。如果想在分析中预测塑性响应，则需要将载荷分解成一系列增量步(或者时间步)，这样模型才可能正确地模拟載荷一响应路径。每个增量步(或者时间步)的最大塑性应变会储存在输出文件( Jobname OUT)里面。
2.多线性
多线性弹性材料行为选项( MELAS)描述一种保守响应(与路径无关)，其加载和卸载沿相同的应力应变路径。所以，对于这种非线性行为，可以使用相对较大的步长。
3.超弹性
超弹性可以用来解释类橡胶材料在经历大应变和大变形时(需要INLGEOM.ON])其体积变化非常微小(近似于不可压缩材料)。
有两种类型的单元适合模拟超弹材料。
1)超弹单元( HYPER56， HYPER58， HYPER74， HYPER158)
2)除了梁杆单元以外，所有编号为18x的单元(，PLANE182， PLANE183，SOLID185,SOLID186. SOLID187)
4.蠕变
蠕变是一种与速度相关的材料非线性，它指当材料受到持续载荷作用的时候，其变形会持续增加。相反地，如果施加强制位移，反作用力(或者应力)会随着时间慢慢减小(应力松弛)。ANSYS程序可以模拟前两个阶段，第三个阶段通常不分析，因为它已经接近破坏程度。
5.形状记忆合金
形状记忆合金(SMA)材料行为选项指镍钛合金的过弹性行为。镍钛合金是一种柔韧性非常好的合金，无论在加载卸载时经历多大的变形都不会留下永久变形，材料行为包含3个阶段:奥氏体阶段(线弹性)、马氏体阶段(也是线弹性)和两者间的过渡阶段。
利用MP命令定义奥氏体阶段的线弹性材料行为，利用“TB，SMA”命令定义马氏体阶段和过渡阶段的线弹性材料行为。另外，可以用“TB，DATA”命令输入合金的指定材料参数组，总共可以输入6组参数。
形状记忆合金可以使用如下单元: PLANE182， PLANEL83， SOLID185，SOLD186，SOLID187
6.黏弹性
黏弹性类似于蠕变，不过当去掉载荷时，部分变形会跟着消失。最普遍的黏弹性材料是玻璃，部分塑料也可认为是黏弹性材料。
可以利用单元VSCO88和VSC89模拟小变形黏弹性，LNKI80、 SHELLI81、PLANE182、 PLANEL83、SOLD185、SOLIDI86、 SOLID187、BEAM188和BEAM189模拟小变形或者大变形黏弹性。用户可以用TB命令族输入材料属性。对于单元 SHELLI181、 PLANEL82、PLANE183、SOLD185、SOLID186和SOLD187，需用MP命令指定其黏弹性材料属性，用“TB. HYPER”指定其超弹性材料属性。弹性常数与快速载荷值有关。用“TB.PRONY”和“TB， SHIIET"”命令输入松弛属性
7.粘塑性
粘塑性是一种与时间相关的塑性现象，塑性应变的扩展跟加载速率有关，其基本应用是高温金属成型过程，例如滚动锻压，会产生很大的塑性变形，而弹性变形却非常小。因为塑性应变所占比例非常大(通常超过50%)，所以要求打开大变形选项 NLGEOM ON可利用VISCOV107,VISCOV107和 VISCO108几种单元来模拟粘塑性。粘塑性是通过一套流动和强化准则将塑性和蠕变变平均化，约束方程通常用于保证塑性区域的体积。
