ANSYS 非线性材料模型简介1 ---常用弹塑性模型

1. 材料非线性
2. 三个准则
3. 常用弹塑性模型

参考资料：《ANSYS 14.0 理论解析与工程应用实例》--张洪才等编著 2013年

1. 材料非线性

材料非线性ANSYS 可以考虑多种材料非线性，包括：

（1）与率无关的弹塑性，其特征是材料里存在不能消失的瞬时应变。

（2）与率相关的粘塑性，其特征是允许在一定的时间间隔中发生塑性变形

（3）蠕变即存在永久的应变，也是与应变率相关的塑性变形。

（4）衬垫材料是用来模拟特殊的材料关系。

（5）非线性弹性允许使用非线性的应变-应力关系，所有应变都是可逆的

（6）超弹性通过应变能密度来确定，其应变也是可以逆转的

（7）粘弹性是与率相关的材料性质，其特征是粘性对弹性应变有贡献。

（8）混凝土材料包含了裂纹和压碎功能，仅有solid65支持混凝土模拟

（9）膨胀允许材料在承受neutro flux 或扩大。

2. 三个准则

在弹塑性理论中有三个必不可少的准则，即屈服准则、流动准则和强化准则。屈服准则将应力状态与材料屈服的发生联系起来；流动准则是在材料塑性流动存在增量时将材料应力状态和塑性应变的六个增量联系起来。强化准则是描述了材料在超出初始屈服以后如何使用应变修正屈服准则。

2.1 屈服准则

Von Mises屈服准则（特别适合金属，在三维主应力空间中，Von Mises屈服面是一个以 σ1=σ2=σ3为轴的圆柱面，在二维中，屈服面是一个椭圆，在屈服面内部任何应力状态都是弹性的，在屈服面外，任何应力状态都会引起屈服）；

Hill屈服准则（正交各向异性，可以考虑材料的弹性参数的正交各向异性和屈服强度的各向异性；在三维主应力空间中，Von Mises屈服面是一个以 σ1=σ2=σ3为轴的椭圆柱面，在二维中，屈服面是一个椭圆，在屈服面内部任何应力状态都是弹性的）；

广义Hill屈服准则（拉伸和压缩屈服不同）；

Drucker-Prager（D-P）屈服准则（混凝土、岩石、土壤等颗粒状材料）

2.2 流动准则

流动准则：描述了发生屈服时，塑形应变的方向。在关联流动中，塑形流动的方向与屈服面外法线方向相同。

2.3 强化准则

等向强化（屈服面中心不变，只是大小随着外界载荷的变化而变化；

随动强化（屈服面的大小不变，但屈服面的中心位置随着载荷的变化而变化）；

混合强化（等向强化和随动强化的结合，屈服面不仅在大小上扩张，还在屈服方向上移动）

3. 常用弹塑性模型

3.1 双线性等向强化

各向同性材料双线性等向强化模型（弹性模量、泊松比、屈服应力、切线模量）

MP,EX,1,180E9

MP,NUXY,1,0.3

MP,DENS,1,8490

TB,BISO,1

TBDATA,1,900E6!Yield stress

TBDATA,2,445E6!Tangent Modulus

3.2 多线性等向强化

各向同性材料多线性等向强化模型（弹性模量、泊松比、多线性应力-应变关系）

Structure--Nonlinear--Inelastic--Rate Independent--Isotropic Harding Plasticity--Mises Plasticity--Multilinear

最多可输入100个应力-应变关系，最多支持20种温度。

MP,EX,1,180E9

MP,NUXY,1,0.3

MP,DENS,1,8490

TB,MISO,1,1,2

TBPT,,40,60

TBPT,,50,70

3.3 非线性等向强化

各向同性材料非线性等向强化模型（特别适合大变形分析，Hardening for material number 1）

使用Voce的硬化率和幂律来描述各向同性材料的硬化行为。通过在TB,NLISO中指定恰当的TBOPT来选择其中的一种方法。该模式适合大变形分析。

对于幂率强化准则（TB,NLISO,POWER）,主要用于韧性、可塑性和Gurson's Model模型中的损伤问题。

当联合使用幂律选项和GURSON塑形功能时，可以模拟塑形材料韧性和损伤。

当联合使用NLISO Voce硬化模型和CHABOCHE非线性随动强化模型时，可以模拟材料循环硬化和软化。

MP,EX,1,180E9

MP,NUXY,1,0.3

MP,DENS,1,8490

TB,NLIS,1,1,4,

TBTEMP,0!温度

TBDATA,,90,80,70,7,,!依次表示上述四个参数

其中：

激活Voce硬化率，则输入四个参数：Sigy0表示初始屈服强度，R0，Rinf和b表示等向强化材料有关参数。

若激活幂率强化准则，则只需要输入Siny0初始屈服强度和R0，

3.4 双线性随动强化

各向同性材料双线性随动强化模型

该模型假设总的应力范围在变形过程中始终等于2倍初始屈服应力，因此包含了包辛格效应。

包辛格效应：在金属塑性加工过程中，正向加载引起的塑性应变强化导致金属在随后的反向加载过程中呈现塑性应变软化（即屈服极限降低）的现象。

应力-应变关系选项：没有应力松弛（No Stress relaxation），该选项假设随着温度的增加并没有应力松弛。Rice硬化率（Rice's Hard Rule）该选项能够考虑随着温度的增加的应力松弛，为默认选项。切线模量要大于0，但是小于材料的弹性模量，最大支持六个与温度相关的曲线。



MP,EX,1,180E9

MP,NUXY,1,0.3

MP,DENS,1,8490

TB,BKIN,1

TBDATA,1,900E6!Yield stress

TBDATA,2,445E6!Tangent Modulus

3.5 各向同性材料多线性随动强化

与多线性等向强化设置类似。

3.6 各向同性材料Chaboch随动强化模型

可以使用该材料选项模拟材料的循环受力行为。与双线性随动强化模型和多线性随动强化模型一样，还可以使用该模型去模拟单点硬化和包辛格效应。

用户可以使用该模型叠加多大5种随动强化模型和1中等向强化模型来模拟复杂的材料循环塑形行为，如材料的循环硬化、软化和棘轮效应。