非线性问题.ppt

1、第6讲 非线性专题,非线性问题及分类 非线性问题的有限元求解方法 材料非线性 几何非线性,非线性问题及分类,在分析线性弹性问题时，假定： 应力应变线性关系 结构位移很小（变形远小于物体的几何尺寸） 加载时边界条件的性质不变 如果不满足上述条件之一，就称为非线性问题。 非线性结构的基本特征：变化的结构刚度,非线性问题可以分为三类： 材料非线性：体系的非线性由材料的应力应变关系的非线性引起。 如金属变形弹塑性行为、橡胶的超弹性行为等 几何非线性：结构的位移使体系的受力状态发生了显著的变化。 如板壳的大挠度问题 平衡方程必须建立于变形后的状态 接触非线性：接触状态的变化所引起。 如金属成形、跌落试验

2、、多零件装配体等,碰到障碍物的悬臂梁（端部碰到障碍物时，梁端部的边界条件发生了突然变化，阻止了进一步的竖向挠度。）,板料的冲压成形,接触非线性例子,随着有限元算法理论、计算机硬件和软件技术的进步及实际工业的需求，CAE技术的应用逐步由线性模拟为主向非线性模拟为主快速发展。 1969年，第一个商业非线性有限元程序Marc诞生。 目前几乎所有的商业有限元软件都具备较强的非线性问题的分析求解能力。 非线性求解技术的先进性与稳健性已经成为衡量一个结构分析程序优劣的标准。,非线性问题的有限元求解方法,非线性方程(组)的求解方法 直接迭代法 Newton-Raphson迭代法 修正的Newton-Raph

3、son迭代法 非线性问题通常采用增量法求解（追踪加载过程中应力和变形的演变历史。） 每个增量步采用Newton-Raphson迭代法,非线性问题有限元控制方程：,非线性方程的迭代求解方法,直接迭代法,Newton-Raphson迭代,修正的N-R迭代,非线性方程组的迭代求解方法,直接迭代法,N-R迭代,修正的N-R迭代,非线性问题的增量法求解过程,(1) 将总的外力载荷分为一系列载荷段 (2) 在每一载荷段中进行迭代，直至收敛 (3) 所有载荷段循环，并将结果进行累加,(1) 将总的外力载荷分为一系列载荷段,(2) 在每一载荷段中进行迭代，直至收敛,N-R迭代:,(3) 所有载荷段循环，并将结

4、果进行累加,6.3 材料非线性,材料非线性问题及分类 非线性弹性材料行为 弹塑性材料行为,材料非线性问题及分类,概念：由于材料的应力应变非线性关系引起的非线性。 分类： 不依赖时间的弹、塑性问题 非线性弹性橡胶 弹塑性冲压成形 依赖于时间的粘（弹、塑）性问题 蠕变载荷不变，变形随时间继续变化 松弛变形不变，应力随时间衰减,非线性弹性材料行为,橡胶应力应变关系曲线,弹塑性材料进入塑性的特征：载荷卸去后存在不可恢复的永久变形。 应力应变之间不是单值对应关系，与加载历史有关。,单轴应力状态下弹塑性材料行为,单轴（一维）应力状态下材料的应力应变行为可以从拉伸试验中获得。,单调加载,硬化塑性,理想弹塑性

5、,各向同性硬化:,运动硬化:,混合硬化:,反向加载,运动硬化,各向同性硬化,混合硬化,在简单拉伸的情况下，当材料发生塑性变形后卸载，此后再重新加载，则应力和应变的变化仍服从弹性关系，直至应力到达卸载前曾经达到的最高应力点时，材料才再次屈服（后继屈服）。 这个最高应力点的应力就是材料在经历了塑性变形后的新的屈服应力。由于材料的强化特性，它比初始屈服应力大。,为了与初始屈服应力相区别，我们称之为后继屈服应力。 与初始屈服应力不同，它不是一个材料常数，而是依赖 于塑性变形的大小和历史。 后继屈服应力是在简单拉伸下，材料在经历一定塑性变形 后再次加载时，变形是按弹性还是塑性规律变化的界限。,和简单应力

6、状态相似，材料在复杂应力状态下同样存在初始屈服和后继屈服的问题。 材料在复杂应力状态下，在经历初始屈服和发生塑性变形后，此时卸载，将再次进入弹性状态（称为后继弹性状态）。,把复杂应力状态下，确定材料后继弹性状态的界限的准则就称为后继屈服条件，又称为加载条件。,问题:,当材料处于后继弹性状态而继续加载时，应力（或变形）发展到什么程度材料再一次开始屈服呢？,一般应力状态下弹塑性材料行为,屈服准则（初始屈服条件） 硬化法则 （后继屈服函数、加载函数、加载曲面） 流动法则 加载、卸载准则,屈服准则（初始屈服条件）,在单向受力情况下，当应力达到材料的屈服强度时材料开始产生塑性变形。 对于一般复杂的应力状

7、态，应力状态由六个应力分量决定时，显然不能根据某个单独应力分量的数值作为判断材料是否进入塑性变形的标准。为此，引入以应力分量为坐标的应力空间，根据代表不同应力路径的实验结果，可以定出从弹性阶段进入塑性阶段的各个界限，即屈服应力点。在应力空间中，这些屈服应力点形成一个区分弹性和塑性的分界面屈服面。描述这个屈服面的数学表达式就是我们所要寻求的一般应力状态下的屈服准则。,常用的各向同性Von-Mises屈服准则：,各向同性屈服准则：各个方向屈服应力相同 各向异性屈服准则：不同方向屈服应力有差异,三维主应力空间,平面上的屈服轨迹,3=0平面上的屈服轨迹,硬化法则,塑性硬化法则规定了材料进入塑性变形后的

8、后继屈服函数（又称加载函数或加载曲面） 各向同性硬化 运动硬化 混合硬化,运动硬化：该模型假设材料随塑性变形发展时，屈服面的大小和形状不变，仅是整体在应力空间作平动。,各向同性硬化：材料进入塑性变形以后，屈服面在各方向均匀地向外扩张，其形状、中心及其在应力空间的方位均保持不变。,材料的强化只与总的塑性变形功有关而与加载路径无关。,应力有反复变化时，等向强化模型与实验结果不相符合。,混合硬化：其实质就是将随动强化模型和等向强化模型结合起来，即认为后继屈服面的形状、大小和位置一起随塑性变形的发展而变化 。该模型能够更好的反映材料的Bauschinger效应 。,各向同性硬化,运动硬化,流动法则,塑

9、性应变增量和应力分量的关系：,塑性应变沿后继屈服面 F=0 的法线方向,是一正的待定系数，其具体数值和 材料硬化准则有关,加载、卸载准则,对于硬化材料（当材料处于某一塑性状态）：,几何非线性,几何非线性问题及分类 几何非线性力学理论基础 变形体运动的描述 应变的度量方法 应力的度量方法 几何非线性问题的表达格式,几何非线性问题及分类,概念：由于大位移、大转动而引起的非线性。 分类： 大位移、大转动、小应变问题 板壳的大挠度和后屈曲 大位移、大转动、大应变问题 薄板成形、弹性材料的受力,比较：线弹性 几何非线性,线弹性：小变形假设假定物体发生的位移远小于物体本身的几何尺寸，应变远小于1。建立平衡

10、方程时不考虑物体位置和形状的变化。 几何非线性：物体发生有限变形大位移、大转动的情况。建立平衡方程时必须考虑物体位置和形状的变化。,几何非线性力学理论基础,变形体运动的描述 应变的度量 应力的度量 弹塑性问题本构方程的客观性,变形体运动的描述,描述物体的运动和变形时，需要选择某一构形作为各种方程式的参考。一般选择未变形构形作为参考构形。 物体的构形：某一时刻所占据的空间区域 初始构形： 未变形构形 V0 现时构形： 当前时刻的变形构形 V 为了确定变形前后物体构形中质点的位置，通常引入物质坐标系OX1X2X3 和空间坐标系ox1x2x3 物质坐标（拉格朗日坐标）Xi：代表质点本身，不随时间而变

11、化，提供了材料点的标识。 空间坐标（欧拉坐标）xi：仅仅代表质点的空间位置，随时间而变化。,物体的运动方程,显然,函数 将参考构形映射到t时刻的当前构形。根据变形的连续性要求，这种变换必须是一一对应的，也即变换应是单值连续的，因此上述变换应有唯一的逆变换,运动方程,拉格朗日（Lagrange）描述（物质描述） ：独立变量是材料坐标和时间，而空间坐标是时间的函数，反映了物体中每个质点随时间不同所占据空间点的变化，适用于固体力学问题的描述。 欧拉（Euler）描述 （空间描述）：将空间坐标和时间作为彼此独立的的变量来处理，反映了同一个空间点在不同时刻被不同的质点占据，一般用于流体力学问题的描述 。

12、,也称为运动的Jacobian矩阵,使用Jacobian矩阵行列式可以将当前构形和参考构形上的积分联系起来：,变形梯度定义,关于变形梯度 (反映变形特征),物体质量在变形过程中是不变的。,关于质量守恒定律,应变的度量,有限变形情况下，小变形情况下的应变度量方法已经不再适用，必须重新定义。 刚体转动，应变度量必须为零。小变形情况下的应变度量方法不能满足这个要求 非线性连续介质力学中使用了多种不同的应变和应变率度量。在有限元方法中使用最普遍的有两种： Green应变张量Eij 变形率张量Dij（率形式的本构方程中）,初始构形中P0Q0距离的平方：,现时构形中PQ距离的平方：,Green应变张量的定

13、义,变形前后微段长度平方的变化：,格林(Green)应变张量初始构形中定义,进一步引入位移：,对于小变形问题,Green应变张量简化为无限小应变张量 ：,Green应变不能直接反映变形的大小，它本身不是伸长度和角变度，而是与伸长度和角变度有一定的关系。Green应变和工程(名义)应变分量的关系为：,变形率张量Dij的定义,为了定义变形率张量的表达式，首先定义速度梯度,变形率张量,转动张量,变形率张量Dij在现时构形中定义，其时间积分和真应变相对应。,应变度量的客观性,Green应变张量Eij和变形率张量Dij都是不随刚体转动而变化的客观张量。 对于纯刚体运动，应变度量必须为零。否则预示着纯刚体

14、运动中，将导致非零应力。这是线性应变位移方程在非线性理论中被放弃的主要原因。,考虑物体的刚体运动：,（绕原点的转动和平动）,举例具体说明如下：,格林(Green)应变张量：,写成矩阵形式：,对于物体的刚体运动：,则变形梯度：,正交矩阵,所以：,对比：线性应变位移方程,如果 较大，伸长应变不为零。因此，线应变张量不能用于大变形问题，即几何非线性问题。,大变形情况下，是在变形后的物体中截取微元体建立平衡方程和与之等效的虚功(率)原理的。,如果应变是用变形前的坐标表示的Green应变张量，则需要定义与之对应的关于变形前构形的应力张量。,应力的度量,Cauchy应力张量 (表征现时构形中质点的应力状态

15、) Lagrange应力张量 Tij (第一类Piola-Kirchhoff应力张量) Kirchholf应力张量 Sij (第二类Piola-Kirchhoff应力张量),三者之间关系,Cauchy应力张量在现时构形中定义，具有明确的物理意义，代表真实应力。 Cauchy应力张量和变形率张量Dij在功率上共轭（或在功或能量上耦合）。（给出内部功率） Lagrange应力张量和Kirchholf应力张量在参考构形上定义，没有实际的物理意义，仅仅是为了构成能量上共轭的需要。 Lagrange应力张量是非对称张量，很难实际应用。因此进一步引入对称的Kirchholf应力张量。Kirchholf应力

16、张量被广泛应用于与路径无关材料（如橡胶），并且和Green应变率在功率（能量）上耦合。,弹塑性问题中本构方程的客观性,在大变形弹塑性有限元分析中，需要采用增量理论来分析依赖于材料变形历史的塑性变形过程，因而通常采用微分型或速率型的材料本构关系。采用速率型的本构关系也应该具有客观性。 可以证明，在固定坐标系下，Cauchy应力率张量不具有客观性（不能反映刚体运动）。因此定义一种不随刚体转动而变化的速率型的应力张量Cauchy应力张量的Jaumann率,另外两种经常使用的率是Truesdell率和Green-Naghdi率。（构造方法参见相关文献）,有限变形条件下的弹塑性本构方程与小变形弹塑性本构方程在形式上是