第十章其它非线性功能

1、September 30, 19981- Release 5.5 (0011)其它非线性功能其它非线性功能September 30, 199810-2Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)本章结束后，你将知道本章结束后，你将知道ANSYS程序如下的非线性功能程序如下的非线性功能:SessionObjective1. 其它材料非线性其它材料非线性粘弹性粘弹性, 蠕变蠕变, 非线性弹性非线性弹性,混凝土混凝土2. 其它改变状态的非线性其它改变状态的非线性控制单元控制单元, 非线性弹簧非线性弹簧, 仅仅仅仅拉伸和拉伸和/或压缩杆或压缩杆, 转

2、动接头转动接头, 含有含有布选项的薄膜壳布选项的薄膜壳3. 用户可编程特征用户可编程特征September 30, 199810-3Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 在规定的培训课程时间范围内在规定的培训课程时间范围内, 要想覆盖要想覆盖ANSYS非线性功能的全非线性功能的全部内容是不可能的部内容是不可能的. 本章突出介绍在培训课程中没有涉及到的其它非线性功能本章突出介绍在培训课程中没有涉及到的其它非线性功能. 有关有关本章提到的题目的更多信息请参看本章提到的题目的更多信息请参看ANSYS分析指南分析指南.September 30

3、, 199810-4Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 粘弹性是一种同时具有弹性变形成分粘弹性是一种同时具有弹性变形成分(可恢复可恢复)和粘性变形成分和粘性变形成分(不不可恢复可恢复) 的非线性材料的非线性材料. 在施加载荷时在施加载荷时, 弹性变形立即发生弹性变形立即发生,而粘性而粘性成分在加载过程中发生成分在加载过程中发生. 粘弹性材料模型用于描述玻璃或类似于玻璃的材料粘弹性材料模型用于描述玻璃或类似于玻璃的材料.在此模型中还在此模型中还可以包括温度变化的影响可以包括温度变化的影响,这样就能模拟加热和冷却工序这样就能模拟加热和冷

4、却工序.粘弹性模型的一个简单代表是一粘弹性模型的一个简单代表是一个弹簧和一个阻尼器串联个弹簧和一个阻尼器串联.September 30, 199810-5Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)粘弹性材料模型可用于粘弹性粘弹性材料模型可用于粘弹性88单元和粘弹性单元和粘弹性89单元单元. 粘弹性粘弹性88 二维二维, 八八节点实体单元节点实体单元,有平面应变或轴对称分析选项有平面应变或轴对称分析选项. VISCO89 三维三维, 二十节点实体单元二十节点实体单元,其中间节点可以去掉其中间节点可以去掉. September 30, 1998

5、10-6Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 蠕变是指在常载荷作用下持续增加的不可逆应变蠕变是指在常载荷作用下持续增加的不可逆应变. 一些材料一些材料(如铅、如铅、混凝土和一些塑料混凝土和一些塑料)在室温时就发生显著的蠕变在室温时就发生显著的蠕变,而多数金属在高温而多数金属在高温下表现出蠕变行为下表现出蠕变行为. 如果材料表现出蠕变行为如果材料表现出蠕变行为,则在常载荷下则在常载荷下,元件将继续变形元件将继续变形. 类似类似, 如如果此元件承受常位移作用果此元件承受常位移作用, 应力将继续下降应力将继续下降. 有时称为应力松弛有时称为

6、应力松弛.September 30, 199810-7Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)典型的单轴蠕变曲线有三个阶段典型的单轴蠕变曲线有三个阶段:时间时间 第二段第二段第三段第三段起始段起始段断裂断裂September 30, 199810-8Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 在在起始阶段起始阶段应变率随时间下降应变率随时间下降. 此阶段通常在较短时间内发生此阶段通常在较短时间内发生. 第二阶段第二阶段具有常数应变率具有常数应变率, 因此蠕变应变以常速率发展因此蠕变应变

7、以常速率发展. 在在第三第三阶段阶段, 应变率迅速增加直至材料失效应变率迅速增加直至材料失效. 蠕变应变率可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数蠕变应变率可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数. 最感兴趣的通常是起始阶段和第二阶段最感兴趣的通常是起始阶段和第二阶段. ANSYS能够建立起始能够建立起始阶段和第二阶段的蠕变模型阶段和第二阶段的蠕变模型.September 30, 199810-9Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 确信所用单元类型支持蠕变确信所用单元类型支持蠕变. 可以用一般的蠕变应变率方程库可以用一般的蠕

8、变应变率方程库 (在在 ANSYS 单元手册单元手册中中). 另外另外, 有一些特殊的蠕变定律有一些特殊的蠕变定律, 用于特殊材料用于特殊材料, 特别是那些用于核特别是那些用于核能工业的材料能工业的材料(304和和316号无应变钢和号无应变钢和 2 1/4 Cr-1 Mo 低合金钢低合金钢).September 30, 199810-10Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 混凝土材料模型用于建立脆性材料失效模型混凝土材料模型用于建立脆性材料失效模型. 混凝土材料模型同时混凝土材料模型同时包含断裂和包含断裂和压压碎两种失效模式碎两种失

9、效模式. 这种材料模型适用于混凝土、岩石和其它具有低拉伸强度和高压缩这种材料模型适用于混凝土、岩石和其它具有低拉伸强度和高压缩承载能力的材料承载能力的材料. 混凝土材料模型只能用混凝土实体混凝土材料模型只能用混凝土实体65单元单元. 该单元能够建立加强筋该单元能够建立加强筋 “ 浸润浸润” 于其中的混凝土模型于其中的混凝土模型. 杆单元能够用于建立离散的混凝土杆单元能够用于建立离散的混凝土加强筋模型加强筋模型. September 30, 199810-11Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 混凝土材料模型能够用于断裂混凝土材料模型

10、能够用于断裂 (在三个正交方向在三个正交方向)、粉碎、塑性变、粉碎、塑性变形、和蠕变形、和蠕变. 裂纹可以在一个面内发生裂纹可以在一个面内发生, 如果随后与此断裂面相切的应力足够如果随后与此断裂面相切的应力足够 大大, 将会出现第二将会出现第二(或第三或第三)条裂纹条裂纹. 裂纹被处理为断裂的一个污损裂纹被处理为断裂的一个污损区区, 而不是分离断裂而不是分离断裂. 粉碎失效假定为材料结构完整性的完全损坏粉碎失效假定为材料结构完整性的完全损坏, 例如材料散裂例如材料散裂.September 30, 199810-12Structural Nonlinearities - Release 5.5

11、(001156)非线性弹性材料选项允许弹性应力应变响应曲线的多线性非线性弹性材料选项允许弹性应力应变响应曲线的多线性描述描述:材料将沿相同的路径加载、材料将沿相同的路径加载、卸载卸载, 这样就不会发生永久这样就不会发生永久的变形的变形(该非线性弹性选项该非线性弹性选项只在只在10%应变内有效应变内有效). September 30, 199810-13Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)其它改变状态的非线性结构单元有其它改变状态的非线性结构单元有: 组合组合14单元单元非线性弹簧非线性弹簧-阻尼阻尼组合组合39单元单元非线性弹簧非线性

12、弹簧组合组合40单元单元组合非线性弹簧组合非线性弹簧-线性阻尼线性阻尼-间隙间隙 (接触接触)杆杆10单元单元 仅仅拉伸或仅仅压缩杆仅仅拉伸或仅仅压缩杆壳壳41单元单元 含有布选项壳含有布选项壳组合组合37单元单元控制单元控制单元组合组合7单元单元三维转动接头三维转动接头杆杆11单元单元直线运动液压缸直线运动液压缸这些单元允许一些非线性行为这些单元允许一些非线性行为. 它们的非线性特征一般由单元选项和它们的非线性特征一般由单元选项和/或实常数定义或实常数定义.September 30, 199810-14Structural Nonlinearities - Release 5.5 (0011

13、56)该单元是轴向或扭转弹簧该单元是轴向或扭转弹簧-阻尼器阻尼器. 阻尼影响可以包含在瞬态分析中阻尼影响可以包含在瞬态分析中. 单元阻尼可以是节点速度的非线性函数单元阻尼可以是节点速度的非线性函数.September 30, 199810-15Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)该单元是允许多线性弹簧刚度的轴向或扭转弹簧单元该单元是允许多线性弹簧刚度的轴向或扭转弹簧单元.组合组合39单元有守恒单元有守恒(相同路径相同路径)或不守恒或不守恒(平行路径平行路径)卸载行为的选项卸载行为的选项.IJSeptember 30, 199810-1

14、6Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)该单元能够建立带间隙接触行为的轴向或扭转双线性弹簧模型该单元能够建立带间隙接触行为的轴向或扭转双线性弹簧模型. 该单元还能为一个瞬态分析建立线性阻尼器或质量模型该单元还能为一个瞬态分析建立线性阻尼器或质量模型.如果如果FSLIDE 0, 该单元还能建立滑动行为模型该单元还能建立滑动行为模型.September 30, 199810-17Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)该三维双线性单元既能用作该三维双线性单元既能用作“ 钢索钢索” (仅

15、仅拉伸仅仅拉伸), 也能用作间隙也能用作间隙 (仅仅压缩仅仅压缩).对于钢索选项对于钢索选项, 单元有拉紧和松弛两种状态单元有拉紧和松弛两种状态; 对于间隙选项对于间隙选项, 有压紧有压紧和张开两种状态和张开两种状态. 可以用实常数给出初始应变的方法建立预拉伸模可以用实常数给出初始应变的方法建立预拉伸模型型.IIJJ钢索钢索间隙间隙September 30, 199810-18Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)该单元是在受压缩时能够皱缩的三维薄膜壳该单元是在受压缩时能够皱缩的三维薄膜壳(没有弯曲刚度没有弯曲刚度). 皱缩能皱缩能够发

16、生在一个够发生在一个(或两个或两个)正交方向正交方向.注意该单元的任何扭曲都可能引起求解不稳定注意该单元的任何扭曲都可能引起求解不稳定. 要解决此问题要解决此问题, 可以用一个实常可以用一个实常数数, 在单元上加上一个微小的法向刚度在单元上加上一个微小的法向刚度.September 30, 199810-19Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)该控制单元是能用于远程控制一个结构各部分的多功能单元该控制单元是能用于远程控制一个结构各部分的多功能单元.该单元提该单元提供质量、阻尼器和滑块供质量、阻尼器和滑块(非线性弹簧非线性弹簧)功能功能

17、.基于控制节点的状态基于控制节点的状态, 该单元既可打开该单元既可打开, 也可关闭也可关闭. 该单元的应用包括该单元的应用包括:机械减振器、摩擦离合器、恒温调节器、安全阀和电动开关等机械减振器、摩擦离合器、恒温调节器、安全阀和电动开关等. 当然当然, 其应用并不仅限于此其应用并不仅限于此.控制节点控制节点September 30, 199810-20Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)该单元能够用于建立两个物体之间的销接头模型该单元能够用于建立两个物体之间的销接头模型. 这两个物体在三这两个物体在三维空间可以经历大转动维空间可以经历大

18、转动.该单元适用于会发生大运动的运动学问题该单元适用于会发生大运动的运动学问题. 接头挠度、摩擦、阻尼接头挠度、摩擦、阻尼和转动极限和转动极限(限位限位)可以组合在此单元中可以组合在此单元中. 还有附加控制节点还有附加控制节点.September 30, 199810-21Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)杆杆11单元可以用于建立承受大转动的液压缸模型单元可以用于建立承受大转动的液压缸模型. 该单元是具有单该单元是具有单元阻尼的杆元阻尼的杆. 它还能承受实际规定长度的改变它还能承受实际规定长度的改变.该单元的初始长度该单元的初始长度

19、L0 和定向由节点位置决定和定向由节点位置决定. 测量行程等于施加的测量行程等于施加的行程加上轴向变形行程加上轴向变形.September 30, 199810-22Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 用户可编程特征用户可编程特征 (UPFs)是供你写你自己的是供你写你自己的FORTRAN程序的程序的ANSYS功能功能. UPFs允许你编制允许你编制ANSYS程序程序,以满足你的需要以满足你的需要.对于非线性分析对于非线性分析, 可以包括用户定义的材料选项或用户定义可以包括用户定义的材料选项或用户定义的单元的单元. 如果你在考虑写一

20、个如果你在考虑写一个UPF, 推荐阅读推荐阅读ANSYS编程员手册编程员手册 (ANSYS Programmers Manual). 该手册包含该手册包含ANSYS文件文件结构信息和用户程序示例结构信息和用户程序示例.September 30, 199810-23Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 用户定义的单元可以加到用户定义的单元可以加到ANSYS单元库单元库, 并且作为并且作为“ 正规正规”单元使用单元使用. 你能够创建六个独立的单元类型你能够创建六个独立的单元类型 (USER100- USER105). 用户定义的单元子程序

21、例子包括在用户定义的单元子程序例子包括在ANSYS编程员手册编程员手册( ANSYS Programmers Manual)中中.September 30, 199810-24Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)如果需要模拟如果需要模拟ANSYS程序选项中没有的材料行为程序选项中没有的材料行为, 那么也许可以那么也许可以考虑对材料规律编程考虑对材料规律编程.提供的用户可编程特征号提供的用户可编程特征号(UPFs)用于表征不同类型的材料行为用于表征不同类型的材料行为. 现有的用户材料子程序包括现有的用户材料子程序包括:塑性塑性/粘塑性粘

22、塑性超弹性超弹性蠕变蠕变肿胀肿胀September 30, 199810-25Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)可以定义自己的塑性模型可以定义自己的塑性模型, 作为一个用户子程序作为一个用户子程序. 该塑性模型可以该塑性模型可以是速率无关的或速率相关的是速率无关的或速率相关的(粘塑性粘塑性). 现有两个用户定义塑性的用户子程序现有两个用户定义塑性的用户子程序: USERVP 用于粘塑性用于粘塑性106、107和和108单元单元. USERPL 用于支持塑性的其它单元用于支持塑性的其它单元.September 30, 199810-2

23、6Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156) 通过用子程序通过用子程序USRHYP, 可以为不可压缩的超弹性单元定义自可以为不可压缩的超弹性单元定义自己的应变能密度函数己的应变能密度函数(W). 在超弹性在超弹性56、58、74或或158单元中单元中, 并激活超弹性数据表并激活超弹性数据表, 通过通过设置关键选项设置关键选项(7)=1, 可以得到用户定义超弹性子程序可以得到用户定义超弹性子程序. 任何用户定义的材料常数可以通过编辑超弹性数据表输入任何用户定义的材料常数可以通过编辑超弹性数据表输入.September 30, 199810-27Structural Nonlinearities - Release 5.5 (001156)通过使用子程序通过使用子程序USERCR, 你可以定义自己的蠕变应变率方程你可以定义自己的蠕变应变率方程. 蠕变应变可以是一系列求解变量的函数蠕变应变可以是一系列求解变量的函数, 如应力、应变和温度等如应力、应变和温度等.通过激活蠕