基於ANSYS經典界面的受拉平板的蠕變分析

01-28

作者：CAE部落

大多數金屬在高溫下都表現出蠕變行為。

所謂蠕變，是指材料在長時間的恆溫、恆定載荷作用下，持續發生塑性變形的行為。

那麼如何對蠕變行為進行模擬呢？本文給出一個例子，該例子十分簡單，是對一個900度下的受拉平板做蠕變分析。

該例子來自於《ANSYS機械工程應用精華50例》的第22個例子。【（第三版），高耀東，劉學傑主編，電子工業出版社，2011.】，本文主要對其加強了顯示部分和講解部分，以便用戶能更清晰地理解其分析過程。

================================================================

[問題描述]

一矩形平板，左端固定，右端作用有恆定壓力P=100MPa，平板長100mm，高30mm，材料的彈性模量是2e5MPa,泊松比是0.3，

蠕變方程是：，要分析在900度下，10萬秒後平板的位移情況。

【問題分析】

此問題屬於材料非線性的結構靜力學分析。
模型十分簡單，是薄板，平面應力問題，創建長方體後劃分網格即可以得到有限元模型.
材料模型：要定義蠕變參數。
用兩種方式進行比較，一種是有蠕變發生的，一種是沒有蠕變發生的。

【問題求解】

1. 前處理

（1.1）創建單元類型

/prep7

et,1,plane42

上述命令進入到前處理器，並創建了單元類型plane42,默認是平面應力問題。

（1.2）定義材料模型

mp,ex,1,2e5

mp,prxy,1,0.3

tb,creep,1

tbdata,1,5e-23,7

上述命令首先定義了材料的彈性模量與泊松比，然後定義了蠕變模型，並給定了兩個係數。

（1.3）創建幾何模型

rect,1,100,0,30

上述命令繪製一個矩形。命令執行完畢後主窗口顯示如下：

（1.4）劃分網格

lesize,1,,,10

lesize,2,,,3

mshape,0

mshkey,1

amesh,all

fini

上述命令分別對矩形的兩個對邊指定了3,10的網格劃分份數，然後進行了映射網格劃分，結果如下

2. 求解

（2.1）設置邊界條件

/solu

dl,4,,all

sfl,2,pres,-100

上述命令固定了左邊，然後對右邊施加了均布拉力。結果如下圖

（2.2）進行求解設置

tunif,900

time,100000

kbc,1

nsubst,1000

outres,all,all

上述命令設定溫度為900讀，並設置計算時間為10萬秒，計算步數為1000步，並設定了輸出選項。

（2.3）求解

solve

fini

上述命令開始計算。計算過程如下

3. 後處理

（3.1）定義變數

/POST26

*SET,n1,node(100,30,0)

nsol,2,n1,u,x

上述命令進入到時間歷程後處理器，然後找到了一個節點，其位置在（100,30）處，就是下圖位置處的節點

（3.2）繪製位移變化曲線

plvar,2

上述命令繪製該節點的X位移隨時間變化的規律。

可見，該節點的位移隨著時間均勻增加，在10萬秒時該節點的位移大致是0.096mm。

4. 討論

我們下面對比一下，有沒有發生蠕變到底對於位移有多大影響？

為了達到上述目的，我們只需要對上述建模模擬命令流中去掉蠕變項即可。

為此整理上述命令流，去掉蠕變相關項，仍舊模擬10萬秒，則命令流如下：

/clear

/prep7

et,1,plane42

mp,ex,1,2e5

mp,prxy,1,0.3

!tb,creep,1

!tbdata,1,5e-23,7

rect,1,100,0,30

lesize,1,,,10

lesize,2,,,3

mshape,0

mshkey,1

amesh,all

fini

/solu

dl,4,,all

sfl,2,pres,-100

tunif,900

time,100000

kbc,1

nsubst,1000

outres,all,all

solve

fini

/post1

FINISH

/POST26

*SET,n1,node(100,30,0)

nsol,2,n1,u,x

plvar,2

上述命令運行完畢後，繪製的該點的位移-時間曲線如下

可見，時間並沒有改變其位移，就是說，位移並不會隨著時間的變化而變化。

那麼該值是多少呢？

查看該變數的值，結果如下

可見，其大小是0.049mm.

而發生蠕變後，其最終大小是0.096mm。

5. 結論

蠕變的結果，使得結構的位移會隨著時間持續增加（針對恆定載荷的情況）；而一般的線彈性分析則會保持位移的恆定（這並不意味著這種分析不需要時間，只是時間對它的影響可以忽略不計）。

蠕變分析因為增加了蠕變導致的塑性變形，從而使得其最終位移要大於同樣邊界條件下的靜力學分析的位移。

按照蠕變公式，只要時間增加，位移會一直增加下去。這與線彈性分析是不一樣的。線彈性分析的位移只與外力有關，外力恆定，則無論時間如何增加，位移都不變；但是蠕變卻會隨著時間的增加，變形一直增加。

來源：技術鄰轉載宋博士的博客