ANSYS高级非线性培训手册第04章

1、Training Manual蠕变蠕变Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 前一章探讨了率无关塑性前一章探讨了率无关塑性, 本章将讨论本章将讨论 ANSYS 中蠕变行为的分析方法。中蠕变行为的分析方法。 尽管从材料的观点看尽管从材料的观点看蠕变蠕变 和和粘塑性粘塑性是相同的是相同的, 但本构但本构模型的使用不同。模型的使用不同。 因此因此, 率相关的塑性主题被分为两率相关的塑性主题被分为两部分部分, 这部分属于蠕变。这部分属于蠕变。 本章将介绍本章将介绍ANSYS中可用的大量的隐式和显式中可用的大量的隐式和显式蠕变法则。蠕

2、变法则。 主要讨论金属的蠕变。主要讨论金属的蠕变。 然而然而, 讨论的各种观点也适用讨论的各种观点也适用于塑料或混凝土等其它材料的蠕变。于塑料或混凝土等其它材料的蠕变。 ANSYS有隐式和显式两种蠕变分析过程。有隐式和显式两种蠕变分析过程。 首先讨论首先讨论蠕变的一般知识，然后是进行隐式或显式蠕变分析的蠕变的一般知识，然后是进行隐式或显式蠕变分析的细节。细节。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 本章包括下列主题：本章包括下列主题：A. 蠕变现象背景蠕变现象背景B. 术语定义术语定义C. 一般蠕变方程一般蠕变方程D. 隐式

3、蠕变过程隐式蠕变过程E. 显式蠕变过程显式蠕变过程F. ANSYS 蠕变模型的求解过程蠕变模型的求解过程G. 隐式蠕变与显式蠕变的比较隐式蠕变与显式蠕变的比较Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 晶体材料中晶体材料中, 如金属如金属, 蠕变机理与空隙的扩散流蠕变机理与空隙的扩散流动和位错运动有关。动和位错运动有关。 空隙是点缺陷空隙是点缺陷, 倾向于形成与所施加应力方向垂直倾向于形成与所施加应力方向垂直(而而不是平行不是平行)的晶界。空隙由高集中区向低集中区运动。的晶界。空隙由高集中区向低集中区运动。 在低应力状态下发生扩

4、散流动，但通常需要高温条件。在低应力状态下发生扩散流动，但通常需要高温条件。 晶粒的位错是线缺陷晶粒的位错是线缺陷. 位错运动位错运动(攀升、滑动、偏移攀升、滑动、偏移)在在高应力状态下被激活高应力状态下被激活, 尽管在中温时也可能发生位错尽管在中温时也可能发生位错运动。运动。 有时晶界滑移被认为是一种独立的导致蠕变变形的机有时晶界滑移被认为是一种独立的导致蠕变变形的机理。理。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 尽管对材料科学的详细论述超越了本书的范围，也足以尽管对材料科学的详细论述超越了本书的范围，也足以说明前面提及的

5、物理机理导致蠕变。说明前面提及的物理机理导致蠕变。 蠕变变形与应力、蠕变变形与应力、应变、时间和温度的相关性一般用与下式相似的形式来应变、时间和温度的相关性一般用与下式相似的形式来模拟：模拟： 函数函数f1-4 与选择的蠕变法则有关。与选择的蠕变法则有关。 通常由不同应变速率和温度条件下的各种拉伸实验确定相关蠕变通常由不同应变速率和温度条件下的各种拉伸实验确定相关蠕变常数。常数。 假设各向同性行为假设各向同性行为, von Mises 方程用于计算有效应力方程用于计算有效应力, 在蠕变应变率方程中使用等效应变在蠕变应变率方程中使用等效应变(与率无关塑性相似与率无关塑性相似)。 Tftfffcr

6、4321Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 当计算弹性、塑性和蠕变应变时当计算弹性、塑性和蠕变应变时, ANSYS使用附使用附加的应变分量加的应变分量: 计算塑性应变计算塑性应变(流动法则流动法则)类似于前一章的描述。类似于前一章的描述。 根据蠕变应变率方程计算蠕变应变，它的详细形根据蠕变应变率方程计算蠕变应变，它的详细形式将在后面讨论。式将在后面讨论。 弹性、蠕变和塑性应变都基于弹性、蠕变和塑性应变都基于(当前的当前的)应力状态，应力状态，但它们是独立计算的但它们是独立计算的(彼此互不依赖彼此互不依赖)。 注意在利用隐

7、式蠕变与显式蠕变进行计算时有差别。注意在利用隐式蠕变与显式蠕变进行计算时有差别。crplelelD:附加分量附加分量应力应力-应变应变Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 与塑性类似与塑性类似, 蠕变是一种基于偏量行为的不可逆蠕变是一种基于偏量行为的不可逆(非弹性非弹性)应变。在蠕变流动条件下应变。在蠕变流动条件下, 假设材料是不可压缩的。假设材料是不可压缩的。 另一方面另一方面, 与率无关塑性不同与率无关塑性不同,蠕变在发生非弹性应变时没蠕变在发生非弹性应变时没有屈服面。有屈服面。 因此因此, 蠕变不需要高应力值来发生更

8、多的蠕变应变。蠕变不需要高应力值来发生更多的蠕变应变。 假设在所假设在所有非零应力值时都会发生蠕变应变。有非零应力值时都会发生蠕变应变。 前面提到前面提到, 从材料的角度看从材料的角度看, 蠕变和粘塑性是相同的。蠕变和粘塑性是相同的。 工程应用中工程应用中, 通常蠕变用于描述低应变速率的热激活过程。通常蠕变用于描述低应变速率的热激活过程。 率无率无关塑性和隐式蠕变应变以弱耦合方式处理。关塑性和隐式蠕变应变以弱耦合方式处理。 相反相反, ANSYS 中粘塑性本构模型用于描述高应变速率的应用中粘塑性本构模型用于描述高应变速率的应用(例例如如, 冲击载荷冲击载荷)。 非弹性应变以强耦合方式处理。非弹

9、性应变以强耦合方式处理。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual焊球蠕变分析的例子焊球蠕变分析的例子(热循环热循环)。Bret Zahn, ChipPAC 授权的ANSYS 模型 (http:/ (B-Bar), 双曲双曲正弦隐式蠕变模型正弦隐式蠕变模型Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 蠕变的三个阶段蠕变的三个阶段: 在常载荷条件下在常载荷条件下, 蠕变的单轴应变与时间的关系如下图所示。蠕变的单轴应变与时间的关系如下图所示。第一阶段第一阶段, 应变率随

10、时间减小，该阶段在较短时间内完成。应变率随时间减小，该阶段在较短时间内完成。第二第二阶段阶段 具有常应变率。具有常应变率。第三阶段第三阶段, 应变率迅速增加直到破坏应变率迅速增加直到破坏(断裂断裂)。t 第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段第一阶段第一阶段断裂断裂Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 蠕变的三个阶段蠕变的三个阶段(续续) 蠕变应变率可能是应力、应变、温度、和蠕变应变率可能是应力、应变、温度、和/或时间的函或时间的函数。数。 对于工程分析对于工程分析, 通常最关心蠕变的第一和第二阶段，通常最关心蠕变的第一和第二阶

11、段， 第三阶段蠕变通常与开始破坏有关第三阶段蠕变通常与开始破坏有关(颈缩、损坏颈缩、损坏), 且时且时间较短，间较短， 因此因此, ANSYS 中不模拟第三阶段。中不模拟第三阶段。 第一阶段蠕变的应变率通常远大于第二阶段蠕变。然第一阶段蠕变的应变率通常远大于第二阶段蠕变。然而而, 应变率在第一阶段逐渐降低而在第二阶段几乎为应变率在第一阶段逐渐降低而在第二阶段几乎为常值常值 (对于前面提及的常应力、恒温下单轴试验情况对于前面提及的常应力、恒温下单轴试验情况而言而言)， 而且第一阶段蠕变时间比第二阶段短。而且第一阶段蠕变时间比第二阶段短。Advanced Structural Nonlineari

12、ties 11.0Training Manual蠕变蠕变 在施加恒应力条件下在施加恒应力条件下, 蠕变应变增加。蠕变应变增加。应力松弛应力松弛 在施加恒应变条件下在施加恒应变条件下, 应力降低。应力降低。t t Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual时间强化时间强化 假设蠕变应变率仅与从蠕变过程开始的假设蠕变应变率仅与从蠕变过程开始的时间有关，时间有关， 也就是说也就是说, 该曲线上该曲线上/下移动，下移动，当应力从当应力从 1 到到 2变化时变化时, 计算计算A 到到 B点点的不同蠕变速率。的不同蠕变速率。应变强化应变强化

13、 假设蠕变速率仅与材料现有的应变有关，假设蠕变速率仅与材料现有的应变有关，也就是说也就是说, 曲线左曲线左/右移动右移动. 当应力从当应力从 1到到 2变化时变化时, 计算计算A 到到 B点的不同蠕变点的不同蠕变应变率。应变率。t 1 1 2 2ABt 1 1 2 2ABncrtncrAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual显式蠕变显式蠕变 显式蠕变是指应用显式蠕变是指应用 Euler 向前法进行蠕变应变演化的向前法进行蠕变应变演化的计算。计算。 在每个时间步使用的蠕变应变率与该时间步开在每个时间步使用的蠕变应变率与该时间步开

14、始时的速率一致，并假设在整个时间步始时的速率一致，并假设在整个时间步 D Dt 内为常量，内为常量， 因此，需要很小的时间步以使减小误差。因此，需要很小的时间步以使减小误差。 对于有塑性的显式蠕变对于有塑性的显式蠕变, 首先进行塑性修正首先进行塑性修正, 然后进行然后进行蠕变修正。两种修正在不同应力值处进行，因此精度蠕变修正。两种修正在不同应力值处进行，因此精度较差。较差。,ttttcrTfDAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual隐式蠕变隐式蠕变 隐式蠕变应用了隐式蠕变应用了Euler向后积分法求解蠕变应变。向后积分法求解蠕

15、变应变。 该该方法在数值上无条件稳定，这意味着不必象显式蠕变方法在数值上无条件稳定，这意味着不必象显式蠕变方法那样方法那样, 使用小的时间步使用小的时间步, 所以总体上会更快。所以总体上会更快。 对于隐式蠕变加上率无关塑性对于隐式蠕变加上率无关塑性, 塑性修正和蠕变修正塑性修正和蠕变修正同时进行同时进行, 而不是分别进行。而不是分别进行。 因此因此, 隐式蠕变一般比隐式蠕变一般比显式蠕变更精确显式蠕变更精确, 但它仍与时间步大小有关，必须使但它仍与时间步大小有关，必须使用足够小的时间步来精确捕捉路径相关行为。用足够小的时间步来精确捕捉路径相关行为。 基于上述原因基于上述原因, 隐式蠕变是隐式蠕

16、变是 ANSYS 推荐的方法推荐的方法(高效、精确高效、精确)。 后面将详细讨论两种蠕变过程。后面将详细讨论两种蠕变过程。,ttttttcrTfDDDAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 如前所述如前所述, 蠕变方程通常是一种速率形式蠕变方程通常是一种速率形式, 类似类似于下式于下式: 然而然而, 被分析的材料类型决定了具体蠕变方程的被分析的材料类型决定了具体蠕变方程的选择。现在讨论一些一般的特性选择。现在讨论一些一般的特性, 具体模型包括具体模型包括在隐式蠕变和显式蠕变两部分中。在隐式蠕变和显式蠕变两部分中。 单元手册单

17、元手册 第第 2.5 章节也包括了隐式和显式蠕变方程。章节也包括了隐式和显式蠕变方程。 Tftfffcr4321Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual温度相关性温度相关性 蠕变效应被热激活蠕变效应被热激活, 它的温度相关性通常由它的温度相关性通常由 Arrhenius 法则来表示法则来表示: 式中式中Q为激活能为激活能, R为普适气体常数为普适气体常数, T为绝对温度。为绝对温度。应力相关性应力相关性 蠕变应变通常也与应力有关蠕变应变通常也与应力有关, 尤其是位错蠕变。尤其是位错蠕变。Norton 法则为法则为:对上述幂定律

18、的常见修正如下对上述幂定律的常见修正如下:RTQcrencrCcreAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual通常第一阶段蠕变显示通常第一阶段蠕变显示时间或应变强化时间或应变强化。 时间强化包含在一个时间相关项中时间强化包含在一个时间相关项中: 应变强化包含在一个应变相关项中应变强化包含在一个应变相关项中: 由可用的材料数据来决定使用哪一项由可用的材料数据来决定使用哪一项(应变或时间强应变或时间强化化)。 第二阶段不具有时间或应变强化，第二阶段的蠕变应第二阶段不具有时间或应变强化，第二阶段的蠕变应变率通常是常数。变率通常是常数。

19、mcrtncrAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual ANSYS 中可用的蠕变法则汇总如下中可用的蠕变法则汇总如下:如前所述如前所述, 只要可能只要可能, 推荐采用隐式蠕变。推荐采用隐式蠕变。ExplicitImplicitCreep Equation DescriptionTypeC6/C12 valueTBOPT valueStrain HardeningPrimaryC6=01Time HardeningPrimaryC6=12Generalized ExponentialPrimaryC6=23Generalized

20、 GrahamPrimary-4Generalized BlackburnPrimary-5Modified Time HardeningPrimary-6Modified Strain HardeningPrimary-7Generalized Garofalo (Hyperbolic sine)Secondary-8Exponential FormSecondaryC12=09NortonSecondaryC12=110Time HardeningBoth-11Rational PolynomialBothC6=1512Generalized Time HardeningPrimary-1

21、3User CreepC6=100100Annealed 304 Stainless SteelBothC6=9-Annealed 316 Stainless SteelBothC6=10-Annealed 2.25 Cr - 1 Mo Low Alloy SteelBothC6=11-Power Function Creep LawPrimaryC6=12-Sterling Power Function Creep LawBothC6=13-Annealed 316 Stainless SteelBothC6=14-20% Cold Worked 316 SS (Irradiation-In

22、duced)BothC66=5-Training ManualD节节Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 本节讨论进行隐式蠕变分析的过程。本节讨论进行隐式蠕变分析的过程。 如前所述如前所述, 因为隐式蠕变比显式蠕变更稳定、精因为隐式蠕变比显式蠕变更稳定、精确和高效确和高效(更快更快), 所以是首选的方法。所以是首选的方法。 这是由于该公式中使用了隐式积分法这是由于该公式中使用了隐式积分法(Euler向后法向后法)。 有些情况下采用的蠕变法则或单元类型需要使用显式有些情况下采用的蠕变法则或单元类型需要使用显式蠕变方法。蠕变方

23、法。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 隐式蠕变材料支持的单元类型隐式蠕变材料支持的单元类型: “核心核心”单元单元: PLANE42, SOLID45, PLANE82, SOLID92 和和 SOLID95 “18x”系列单元系列单元: LINK180, SHELL181, PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187, BEAM188 和和 BEAM189 隐式蠕变分析中隐式蠕变分析中, 推荐选择推荐选择“18x” 系列单元。系列单元。 因为在因为在 “18x”

24、系列单元中有大量的单元技术可用系列单元中有大量的单元技术可用(参考参考第二章第二章), 这些单元提供了更强的灵活性和能力。这些这些单元提供了更强的灵活性和能力。这些公式包括公式包括 B-Bar, URI, 增强应变及混合增强应变及混合U-P。 “18x” 系列单元比核心单元支持更多的本构模型系列单元比核心单元支持更多的本构模型, 包括包括超弹性。超弹性。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 前已述及前已述及, 蠕变与率无关塑性解耦。蠕变与率无关塑性解耦。 隐式蠕变允隐式蠕变允许与下述率无关塑性模型相结合许与下述率无关塑性模

25、型相结合(见第三章见第三章): 有蠕变的有蠕变的 BISO, MISO和和 NLISO (等向强化蠕变等向强化蠕变) 有蠕变的有蠕变的 BKIN (随动强化蠕变随动强化蠕变) 蠕变与蠕变与 HILL (各向异性蠕变各向异性蠕变) 蠕变与蠕变与BISO, MISO 和和 有有 HILL 的的 NLISO (等向强化的各向异性蠕变等向强化的各向异性蠕变) 蠕变与有蠕变与有 HILL 的的 BKIN (随动强化的各向异性蠕变随动强化的各向异性蠕变)Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 可以用命令或通过可以用命令或通过GUI定义隐

26、式蠕变模型定义隐式蠕变模型(在下面在下面的幻灯片中讨论的幻灯片中讨论)。 对于隐式蠕变对于隐式蠕变, 以两种方式定义温度相关性以两种方式定义温度相关性: 由由 TBDATA (或材料或材料GUI)定义温度相关常数定义温度相关常数 很多蠕变方程包括前面提及的很多蠕变方程包括前面提及的 Arrhenius 方程方程 由用户确定使用任一个或两个方法来包含温度相关性。由用户确定使用任一个或两个方法来包含温度相关性。RTQcreAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 通过命令定义隐式蠕变时通过命令定义隐式蠕变时, 使用使用TB,CRE

27、EP, 具具体蠕变模型由体蠕变模型由TBOPT 定义定义。 TB, CREEP, mat, ntemp, npts, TBOPT TBTEMP 定义与温度相关的常数定义与温度相关的常数 TBDATA 定义实际常数定义实际常数对下面的例子对下面的例子, TBOPT = 2 是指采用时间是指采用时间-强化蠕变方程强化蠕变方程. 使用使用 TBTEMP命令指定温度相关常数命令指定温度相关常数, 与该方程相关的与该方程相关的四个常数由四个常数由 TBDATA 命令指定为自变量。命令指定为自变量。TB,CREEP,1,1,4,2TBTEMP,100TBDATA,1,C1,C2,C3,C4Advanced

28、 Structural Nonlinearities 11.0Training Manual所有隐式蠕变模型所有隐式蠕变模型可以在如下的材料可以在如下的材料GUI中选择中选择:Structural Nonlinear Inelastic Rate Dependent Creep确保首先定义必需确保首先定义必需的线弹性材料属性的线弹性材料属性( EX和和 PRXY)。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 当选择合适的隐式蠕变模型后当选择合适的隐式蠕变模型后, 出现一个独立对出现一个独立对话框显示所需的输入项。话框显示所需的输

29、入项。 下面例子中下面例子中, 已经定义了第一阶段蠕变方程已经定义了第一阶段蠕变方程, 提示用户提示用户输入四个蠕变常数。输入四个蠕变常数。 也可以输入温度相关的常数。也可以输入温度相关的常数。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 下表显示可用的隐式蠕变法则，方程在下面幻灯下表显示可用的隐式蠕变法则，方程在下面幻灯片中说明。片中说明。ImplicitCreep Equation DescriptionTypeTBOPT valueStrain HardeningPrimary1Time HardeningPrimary2G

30、eneralized ExponentialPrimary3Generalized GrahamPrimary4Generalized BlackburnPrimary5Modified Time HardeningPrimary6Modified Strain HardeningPrimary7Generalized Garofalo (Hyperbolic sine)Secondary8Exponential FormSecondary9NortonSecondary10Time HardeningBoth11Rational PolynomialBoth12Generalized Tim

31、e HardeningPrimary13User Creep100Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual1)应变强化应变强化TBOPT=1第一阶段蠕变第一阶段蠕变2)时间强化时间强化TBOPT=2第一阶段蠕变第一阶段蠕变3)广义指数广义指数TBOPT=3第一阶段蠕变第一阶段蠕变4)广义广义Graham TBOPT=4第一阶段蠕变第一阶段蠕变/TCCrtCcreCrreC43251/TCCCcretC4321/TCCCcreC4321/TCCCCCcretCtCtC87532641Advanced Structural Non

32、linearities 11.0Training Manual5)广义广义Blackburn TBOPT=5第一阶段蠕变第一阶段蠕变6)修正的时间强化修正的时间强化TBOPT=6第一阶段蠕变第一阶段蠕变7)修正的应变强化修正的应变强化TBOPT=7第一阶段蠕变第一阶段蠕变CCCrtcreCgCCreCfgtef752643111311432CetC/TCCCcr11313321CCCcrCC Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual8)广义广义Garofalo TBOPT=8第二阶段蠕变第二阶段蠕变9)指数形式指数形式TBOP

33、T=9第二阶段蠕变第二阶段蠕变10)NortonTBOPT=10第二阶段蠕变第二阶段蠕变/TC CcreCC4321sinh/TCCcreC321/TC/CcreeC321Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual11)时间强化时间强化TBOPT=11第一阶段第一阶段+第二阶段第二阶段12)有理多项式有理多项式TBOPT=12 第一阶段第一阶段+第二阶段第二阶段13)广义时间强化广义时间强化TBOPT=13第一阶段蠕变第一阶段蠕变1211984310721 10 1CCmCCmCCmmcccrCpCcCtptcpttC/TCC/

34、TCCCcrteCCetC764325311154332216CCrCCCfeftTCrcrAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual请参考附加练习题请参考附加练习题: 练习练习6: 应力松弛应力松弛Training Manual E节节Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 本节讨论进行显式蠕变分析的过程。本节讨论进行显式蠕变分析的过程。 前已述及由于隐式蠕变方法比显式蠕变更有效和前已述及由于隐式蠕变方法比显式蠕变更有效和精确而成为首选方法。精确而成为首选方

35、法。 显式蠕变使用需要非常小的时间步的显式蠕变使用需要非常小的时间步的Euler向前法向前法, 因因此会有很多次迭代。此会有很多次迭代。 与隐式蠕变不同与隐式蠕变不同, 塑性计算不是同时进行的。首先进行塑性计算不是同时进行的。首先进行塑性分析塑性分析, 然后是蠕变计算然后是蠕变计算(叠加叠加)，该时间步的塑性应，该时间步的塑性应变等不进行重新调整。变等不进行重新调整。 只要可能只要可能, 都应使用隐式蠕变，然而都应使用隐式蠕变，然而, 有些情况下采用有些情况下采用的蠕变法则或单元类型需要使用显式蠕变。的蠕变法则或单元类型需要使用显式蠕变。Advanced Structural Nonlinea

36、rities 11.0Training Manual 显式蠕变材料支持的单元类型显式蠕变材料支持的单元类型: “核心核心”单元单元: PLANE42, SOLID45, PLANE82, SOLID92 和和 SOLID95 其它单元其它单元: LINK1, PLANE2, LINK8, PIPE20, BEAM23, BEAM24, SHELL43, SHELL51, PIPE60, SOLID62 和和 SOLID65 注意注意 18x 系列单元不支持显式蠕变。系列单元不支持显式蠕变。 显式蠕变支持的塑性基本模型显式蠕变支持的塑性基本模型: 任何使用中的单元类型所支持的塑性模型都可以与显式

37、蠕变相结任何使用中的单元类型所支持的塑性模型都可以与显式蠕变相结合合 (如如 BISO, MISO, BKIN, KINH/MKIN, DP)。 前已述及前已述及, 这是塑性和蠕变的非同时性模拟这是塑性和蠕变的非同时性模拟(首先进行塑性计算首先进行塑性计算, 然后是蠕变计算然后是蠕变计算)。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 可以使用命令或通过可以使用命令或通过 GUI 定义一个显式蠕变模定义一个显式蠕变模型型(在下面的幻灯片中讨论在下面的幻灯片中讨论)。 显式蠕变没有与温度有关的常数。显式蠕变没有与温度有关的常数。 由

38、蠕变方程说明温度相关性。由蠕变方程说明温度相关性。 显式蠕变常数定义并输入为显式蠕变常数定义并输入为 C1, C2 等等等等, 其中其中C1为第一个常数为第一个常数, C6 为第六个常数等。为第六个常数等。 不必定义所有的常数，需要使用的常数数目与选择的不必定义所有的常数，需要使用的常数数目与选择的蠕变方程有关。蠕变方程有关。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 当通过命令定义显式蠕变时当通过命令定义显式蠕变时, 使用使用TB,CREEP 命命令令, TBOPT=0 (或保留空白或保留空白)。 TB, CREEP, mat

39、, ntemp, npts TBDATA 定义实际的常数。定义实际的常数。 通常用通常用 C6 常数指定第一阶段蠕变常数指定第一阶段蠕变(选择选择C6 =0到到 15)，若若C1 0 或或T + Toffset 0, 则不计算第一阶段蠕变。则不计算第一阶段蠕变。 用用 C12 常数选择第二阶段蠕变常数选择第二阶段蠕变(C12=0 或或 1)，第一阶，第一阶段蠕变方程段蠕变方程C6=9-11, 13-15 已经包括第二阶段蠕变效已经包括第二阶段蠕变效应应, 所以第二阶段蠕变所以第二阶段蠕变 C12常数被忽略，若常数被忽略，若C7 0 或或 T + Toffset 0, 则不计算第二阶段蠕变。则不

40、计算第二阶段蠕变。 用用C66常数指定辐射感应蠕变，常数指定辐射感应蠕变， C6=0 至至11时使用该方时使用该方程，若程，若C55 0 且且 C61 0, 或或T + Toffset 0, 则不计算则不计算第二阶段蠕变。第二阶段蠕变。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual如下的材料如下的材料GUI中可以选择所有的显式蠕变模型中可以选择所有的显式蠕变模型:Structural Nonlinear Inelastic Rate Dependent Creep确保首先定义必需的线弹性材料属性确保首先定义必需的线弹性材料属性 (E

41、X 和和 PRXY)。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 当选择合适的显式蠕变模型后当选择合适的显式蠕变模型后, 出现一个独立的出现一个独立的对话框显示需要的输入项。对话框显示需要的输入项。 下面例子中下面例子中, 已经定义了一个蠕变方程已经定义了一个蠕变方程, 提示用户输入提示用户输入各种蠕变常数。各种蠕变常数。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 下表为可用的显式蠕变法则，其方程将在下面的幻灯片下表为可用的显式蠕变法则，其方程将在下面的幻灯片说明

42、。说明。注意对于具体材料注意对于具体材料, 很多蠕变法则有固有的单位很多蠕变法则有固有的单位(例如例如C6=11)。请查请查阅单元手册的第阅单元手册的第 2.5 章节以保证使用正确的单位系统。章节以保证使用正确的单位系统。ExplicitCreep Equation DescriptionTypeC6/C12 valueStrain HardeningPrimaryC6=0Time HardeningPrimaryC6=1Generalized ExponentialPrimaryC6=2Annealed 304 Stainless SteelBothC6=9Annealed 316 Stai

43、nless SteelBothC6=10Annealed 2.25 Cr - 1 Mo Low Alloy SteelBothC6=11Power Function Creep LawPrimaryC6=12Sterling Power Function Creep LawBothC6=13Annealed 316 Stainless SteelBothC6=14Rational PolynomialBothC6=15Exponential FormSecondaryC12=0NortonSecondaryC12=120% Cold Worked 316 SS (Irradiation-Ind

44、uced)BothC66=5User CreepC6=100Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual1)应变强化应变强化C6=0第一阶段蠕变第一阶段蠕变2)时间强化时间强化C6=1第一阶段蠕变第一阶段蠕变3)广义指数广义指数C6=2第一阶段蠕变第一阶段蠕变4)钢的蠕变法则钢的蠕变法则C6=9, 10, 11, 14, or 15第一和第二阶段蠕变第一和第二阶段蠕变参阅单元手册第参阅单元手册第 2.5章中的定义章中的定义 c 的选项。的选项。/TCCrtCcreCrreC43251/TCCCcretC4321/TCCCcreC4

45、321tCccr1Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual5)幂函数蠕变法则幂函数蠕变法则C6=12第一阶段蠕变第一阶段蠕变6)真幂函数真幂函数C6=13第一和第二阶段蠕变第一和第二阶段蠕变7)指数形式指数形式C12=0第二阶段蠕变第二阶段蠕变8)NortonC12=1第二阶段蠕变第二阶段蠕变CBAAaccacccrB231011MNcrtCMK/TCCcreC1087/TC/CcreeC1087Training ManualF节节Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training

46、Manual 前面讨论了前面讨论了ANSYS 中隐式和显式蠕变的一些区中隐式和显式蠕变的一些区别。别。 可用的蠕变法则取决于蠕变方法可用的蠕变法则取决于蠕变方法 蠕变常数的输入不同蠕变常数的输入不同 支持的单元类型不同支持的单元类型不同隐式蠕变是首选方法隐式蠕变是首选方法 本节将回顾蠕变材料模型的求解过程本节将回顾蠕变材料模型的求解过程: 求解选项求解选项 后处理后处理 适当的时候将提示隐式和显式蠕变求解过程的区适当的时候将提示隐式和显式蠕变求解过程的区别。别。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 含蠕变材料的模型求解与其

47、他非线性问题类似含蠕变材料的模型求解与其他非线性问题类似, 但求解蠕变问题时有一些特殊的考虑事项。但求解蠕变问题时有一些特殊的考虑事项。 蠕变是大应变还是小应变取决于该问题蠕变是大应变还是小应变取决于该问题。 若不能确定若不能确定, 最好打开大变形效应。最好打开大变形效应。 与其它率无关材料的静态非线性分析不同与其它率无关材料的静态非线性分析不同, 蠕变分析蠕变分析中中“时间时间”有重要意义。有重要意义。 确保结束时间对于模型和所关心的时间范围是合适的。确保结束时间对于模型和所关心的时间范围是合适的。 注意分析不是必需为注意分析不是必需为瞬态瞬态 分析，惯性效应分析，惯性效应(TIMINT)

48、打开或打开或关闭取决于该问题。关闭取决于该问题。 然而然而, 一般来说一般来说, 由于时间范围较长由于时间范围较长, 蠕变分析不考虑惯性效蠕变分析不考虑惯性效应应(ANTYPE,STATIC 或或 TIMINT,OFF) 。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 指定蠕变分析的求解类型指定蠕变分析的求解类型Main Menu Solution Analysis Type- Soln Control Solution Controls -Basic Tab- Analysis Options 需要时指定大位移求解（需要时指定大

49、位移求解（ NLGEOM,ON） 推荐使用缺省的求解控制设置推荐使用缺省的求解控制设置(SOLCONTROL)，缺缺省时省时, 求解控制打开。求解控制打开。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 在载荷步末使用合适的时间在载荷步末使用合适的时间(TIME)。Solution Controls -Basic Tab- Time Control 与其它静态分析不同与其它静态分析不同, 因为蠕变是率相关的因为蠕变是率相关的, 在蠕变分在蠕变分析中析中 TIME 有其含义。分析可以是静态或瞬态的有其含义。分析可以是静态或瞬态的(不包

50、不包括或包括惯性效应括或包括惯性效应)，但，但 TIME 应该是真实单位。应该是真实单位。指定一个合适的初始时间步长指定一个合适的初始时间步长( DELTIM)来捕捉非线来捕捉非线性效应，确保最小和最大时间步长也合理。性效应，确保最小和最大时间步长也合理。右面例子中右面例子中, 在求解控制对话框在求解控制对话框中中, 指定结束时间为指定结束时间为1300. 初始初始时间步是长时间步是长1.0, 最小为最小为 0.5, 最大最大为为10。(仅供示范仅供示范)Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 仅对于仅对于隐式蠕变隐式蠕变,

51、 RATE (“包括应变率效应包括应变率效应”)命命令在分析中用于打开或关闭蠕变效应。令在分析中用于打开或关闭蠕变效应。Solution Controls -Nonlinear Tab- Creep Option 这对建立初始条件有用。这种情况下这对建立初始条件有用。这种情况下, 应该设定一个应该设定一个非常小的结束时间值非常小的结束时间值 (如如 1e-8), 关闭速率效应关闭速率效应(RATE,OFF)，正常求解，然后用正常求解，然后用RATE,ON 命令打开命令打开蠕变效应蠕变效应, 并指定真实结束时间。并指定真实结束时间。 RATE命令仅适用于下述情况命令仅适用于下述情况: 18x 系

52、列单元的隐式蠕变系列单元的隐式蠕变( von Mises 势势) 18x 或核心单元的各向异性隐式蠕变或核心单元的各向异性隐式蠕变(Hill 势势)Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 因为蠕变是一种路径相关现象因为蠕变是一种路径相关现象, 确保充分地捕捉确保充分地捕捉响应是重要的。响应是重要的。 ANSYS 采用的一个措施是蠕变采用的一个措施是蠕变比率比率 Cs, Cs定义为定义为: 式中式中, DDcr 为等效蠕变应变增量为等效蠕变应变增量, et 为修正的等为修正的等效弹性应变效弹性应变(详见详见理论手册理论手册 第

53、第 4.2/4.3章章)。etcrsCDAdvanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 需要时使用后退控制需要时使用后退控制 (CUTCONTROL) 指定等效蠕变应指定等效蠕变应变比率的最大值。变比率的最大值。Solution Controls -Nonlinear Tab- Cutback Control CUTCONTROL,CRPLIMIT,crvalue,1 将为隐式蠕变施加蠕变比将为隐式蠕变施加蠕变比率的最大值率的最大值-crvalue。缺省时不指定隐式蠕变极限控制。缺省时不指定隐式蠕变极限控制。 CUTCONTROL,

54、CRPLIMIT,crvalue,0将为显式蠕变施加蠕变比将为显式蠕变施加蠕变比率的最大值率的最大值-crvalue。缺省时显式蠕变极限为。缺省时显式蠕变极限为10%。 在一个时间步长中在一个时间步长中, 若若 ANSYS 计算的一个蠕变应变比率大于计算的一个蠕变应变比率大于crvalue, 则求解步自动二分则求解步自动二分, 直到满足蠕变直到满足蠕变 极限或达到最小时间步长。极限或达到最小时间步长。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 如前所述如前所述, 显式蠕变显式蠕变 有一个稳定性极限，这与蠕变极限有一个稳定性极限，

55、这与蠕变极限0.25 (25%)一致一致, 所以指定的极限不能大于该值，使用时所以指定的极限不能大于该值，使用时, 缺省值缺省值0.10 (10%)比较合适。比较合适。 另一方面另一方面, 隐式蠕变隐式蠕变 是绝对稳定的是绝对稳定的, 所以没有稳定性极限，所以没有稳定性极限，因而因而, 缺省时不强加极限。然而缺省时不强加极限。然而, 这不意味着隐式蠕变是这不意味着隐式蠕变是“绝对精确。绝对精确。” 一般推荐的蠕变比率极限为一般推荐的蠕变比率极限为1 到到 10 (100-1000%), 并确保指定一个足够小的初始时间步长及并确保指定一个足够小的初始时间步长及最小、最大时间步长。最小、最大时间步

56、长。 蠕变比率被打印在如下所示的输出文件蠕变比率被打印在如下所示的输出文件/窗口窗口: * LOAD STEP 1 SUBSTEP 94 COMPLETED. CUM ITER = 94 * TIME = 940.000 TIME INC = 10.0000 * CREEP RATIO = 0.7971E-03Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 用用 TOFFST 指定一个绝对温度补偿值。指定一个绝对温度补偿值。Main Menu Preprocessor Material Props Temperature Units

57、 通常热载荷单位可以是通常热载荷单位可以是C 或或F，TOFFST 用于在用于在ANSYS内部转换为绝对单位。内部转换为绝对单位。 蠕变方程建立在绝对温度规格上，例如在蠕变方程建立在绝对温度规格上，例如在 Arrhenius 函数中。函数中。Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 除了检查弹性、热和塑性应变外除了检查弹性、热和塑性应变外, 还可检查蠕变还可检查蠕变应变。应变。Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu Main Menu General Postproc Plot Results Element Solu Advanced Structural Nonlinearities 11.0Training Manual 也可得到蠕变应变能密度也可得到蠕变应变能密度, 并画图或列表。并画图或列表。Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu Main Menu G