第四章 蠕变.ppt

蠕变
第四章
隐式和显式蠕变本章综述
前一章探讨了率无关塑性, 本章将讨论 ANSYS 中蠕变行为的分析方法。
尽管从材料的观点看蠕变和粘塑性是相同的, 但本构模型的使用不同。因此, 率相关的塑性主题被分为两部分, 这部分属于蠕变。
本章将介绍ANSYS中可用的大量的隐式和显式蠕变法则。
主要讨论金属的蠕变。然而, 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。
ANSYS有隐式和显式两种蠕变分析过程。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细节。
September 30, 2001
Inventory #001491
4-2
隐式和显式蠕变…本章综述
本章包括下列主题:
A. 蠕变现象背景
B. 术语定义
C. 一般蠕变方程
D. 隐式蠕变过程
E. 显式蠕变过程
F. ANSYS 蠕变模型的求解过程
G. 隐式蠕变与显式蠕变的比较
September 30, 2001
Inventory #001491
4-3
隐式和显式蠕变A. 蠕变背景
晶体材料中, 如金属, 蠕变机理与空隙的扩散流动和位错运动有关。
空隙是点缺陷, 倾向于形成与所施加应力方向垂直(而不是平行)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散流动,但通常需要高温条件。
晶粒的位错是线缺陷. 位错运动(攀升、滑动、偏移)在高应力状态下被激活, 尽管在中温时也可能发生位错运动。
有时晶界滑移被认为是一种独立的导致蠕变变形的机理。
September 30, 2001
Inventory #001491
4-4
隐式和显式蠕变 ... 蠕变背景
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物理机理导致蠕变。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模拟:
函数f1-4 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常数。
假设各向同性行为, von Mises 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(与率无关塑性相似)。
September 30, 2001
Inventory #001491
4-5
隐式和显式蠕变 ... 蠕变背景
当计算弹性、塑性和蠕变应变时, ANSYS使用附加的应变分量: 计算塑性应变(流动法则)类似于前一章的描述。根据蠕变应变率方程计算蠕变应变,它的详细形式将在后面讨论。
弹性、蠕变和塑性应变都基于(当前的)应力状态,但它们是独立计算的(彼此互不依赖)。
注意在利用隐式蠕变与显式蠕变进行计算时有差别。
附加分量
应力-应变
September 30, 2001
Inventory #001491
4-6
隐式和显式蠕变 ... 蠕变背景
与塑性类似, 蠕变是一种基于偏量行为的不可逆(非弹性)应变。在蠕变流动条件下, 假设材料是不可压缩的。
另一方面, 与率无关塑性不同,蠕变在发生非弹性应变时没有屈服面。
因此, 蠕变不需要高应力值来发生更多的蠕变应变。假设在所有非零应力值时都会发生蠕变应变。
前面提到, 从材料的角度看, 蠕变和粘塑性是相同的。
工程应用中, 通常蠕变用于描述低应变速率的热激活过程。率无关塑性和隐式蠕变应变以弱耦合方式处理。
相反, ANSYS 中粘塑性本构模型用于描述高应变速率的应用(例如, 冲击载荷)。非弹性应变以强耦合方式处理。
September 30, 2001
Inventory #001491
4-7
隐式和显式蠕变 ... 蠕变分析实例
焊球蠕变分析的例子(热循环)。
Bret Zahn, ChipPAC 授权的ANSYS 模型(/)
单元185 (B-Bar), 双曲正弦隐式蠕变模型
September 30, 2001
Inventory #001491
4-8
隐式和显式蠕变B. 术语的定义
蠕变的三个阶段:
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。
第一阶段, 应变率随时间减小,该阶段在较短时间内完成。第二阶段具有常应变率。第三阶段, 应变率迅速增加直到破坏(断裂)。
t

第二阶段
第三阶段
第一阶段
断裂
September 30, 2001
Inventory #001491
4-9
隐式和显式蠕变 ... 术语的定义
蠕变的三个阶段(续)
蠕变应变率可能是应力、应变、温度、和/或时间的函数。
对于工程分析, 通常最关心蠕变的第一和第二阶段, 第三阶段蠕变通常与开始破坏有关(颈缩、损坏), 且时间较短, 因此, ANSYS 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。然而, 应变率在第一阶段逐渐降低而在第二阶段几乎为常值(