Tutoriels Ansys pour l'analyse des comportements des matériaux non linéaires

L'analyse du comportement des matériaux non linéaires représente l'un des aspects les plus critiques et les plus difficiles de la simulation technique moderne. Comme les structures et les composants sont soumis à des conditions de charge de plus en plus exigeantes, comprendre comment les matériaux réagissent au-delà de leurs limites élastiques linéaires devient essentiel pour une conception précise, une évaluation de la sécurité et une optimisation des performances.

Ce guide complet explore les concepts fondamentaux, les stratégies pratiques de mise en œuvre et les tutoriels avancés pour effectuer l'analyse du comportement des matériaux non linéaires dans l'ANSYS. Que vous analysiez la plasticité des métaux, simuliez des matériaux hyperélastiques comme du caoutchouc ou évaluiez les phénomènes de fluage dépendants du temps, la maîtrise de ces techniques est essentielle pour produire des résultats de simulation fiables qui peuvent guider les décisions d'ingénierie critiques.

Comprendre le comportement des matériaux non linéaires

Ce qui constitue la non-linéarité des matériaux

Il existe plusieurs types de non-linéarités, telles que les non-linéarités matérielles, géométriques et limites, le type de non-linéarité le plus commun étant la non-linéarité matérielle observée en raison de la non-linéarité dans le comportement stress-souche. La non-linéarité matérielle se produit lorsque la relation entre la contrainte et la souche s'écarte de la proportionnalité simple décrite par la loi de Hooke.

La compréhension du moment où l'analyse des matériaux non linéaires est nécessaire pour la précision de la simulation est essentielle. La non-linéarité des matériaux est utilisée lorsque l'on veut observer le comportement et les résultats de la structure, en particulier dans la région qui manifeste des contraintes plus élevées que la résistance au rendement (puisque cette région est le lieu où la déformation plastique permanente sera très dominante).

Types de matériaux Non-linéarités dans l'ANSYS

Les modèles de matériaux non linéaires disponibles dans l'ANSYS sont les suivants :

Modèles de plasticité:[ Capturer la déformation permanente dans les métaux et autres matériaux lorsque les contraintes dépassent la limite d'élasticité
Modèles hyperélastiques:[ Décrire les grandes déformations récupérables dans les matériaux de caoutchouc et les élastomères
Modèles de crêpe:[ Compte tenu de la déformation dépendante du temps sous charge soutenue, en particulier à des températures élevées
Modèles de viscosplastique: Combiner la plasticité dépendante du taux et les effets dépendant du temps
Modèles vitsolélastiques:[ Représenter les matériaux présentant des caractéristiques visqueuses et élastiques
Modèles d'alliage de mémoire de forme: Simulez des matériaux qui peuvent récupérer leur forme originale après de grandes déformations

Si vous utilisez des types d'éléments appropriés, vous pouvez intégrer n'importe lequel de ces types de propriétés non linéaires. Le choix du modèle de matériaux approprié dépend du matériau en question, des conditions de chargement, de la plage de température et des phénomènes physiques d'intérêt.

Commencer avec les modèles de matériaux non linéaires dans AnsYS

Définitions du modèle d'accès au matériel

Dans le Workbench d'ANSYS, les propriétés matérielles sont définies par l'interface de données d'ingénierie, qui permet d'accéder aux comportements matériels linéaires et non linéaires. Si un matériau affiche un comportement de contrainte-souche non linéaire, utilisez la famille de commandes TB pour définir les relations de propriété du matériau non linéaire en termes de table de données.

Le processus de définition du matériel comporte généralement plusieurs étapes clés :

Définir les propriétés élastiques linéaires de base (module de Young, rapport de Poisson, densité)
Sélectionnez le modèle de matériau non linéaire approprié parmi les options disponibles
Paramètres propres aux matériaux d'entrée basés sur des données expérimentales ou des spécifications de matériaux
Vérifier le comportement matériel par la visualisation de la courbe contrainte-souche
Attribuer le matériau aux composants de géométrie appropriés

ANSYS fournit des outils de visualisation tels que TBPLOT qui permettent aux utilisateurs de prévisualiser le comportement de contrainte-souche avant de lancer l'analyse, aidant à identifier les erreurs potentielles d'entrée ou les définitions irréalistes de matériel.

Comprendre les exigences en matière de données matérielles

Pour les modèles de plasticité, vous devez définir une courbe de durcissement isotrope bilinéaire, ou une courbe multilinéaire sous l'arbre de données de plasticité dans les données d'ingénierie dans l'atelier. Ces données proviennent généralement de tests de traction uniaxiale qui mesurent le comportement de contrainte-souche au-delà de la limite élastique.

Pour les matériaux hyperélastiques utilisés pour modéliser les caoutchoucs et les élastomères, plusieurs configurations d'essai peuvent être nécessaires pour caractériser pleinement le comportement du matériau. Les types d'essai courants comprennent la tension uniaxiale, la tension biaxiale, le cisaillement planaire et la compression volumétrique.

L'analyse de la souche de crampons nécessite des données temporelles obtenues à partir d'essais de fluage où les spécimens sont soumis à une contrainte constante à des températures spécifiques, et la souche résultante est mesurée sur de longues périodes.

Mise en place de l'analyse non linéaire du matériau dans l'ANSYS

Options d'analyse non linéaires

Pour effectuer une analyse de matériau non linéaire dans l'ANSYS, il faut des paramètres spécifiques du solveur et des contrôles d'analyse. L'analyse doit être configurée pour tenir compte de la nature itérative des solutions non linéaires. Dans l'ANSYS Workbench, les effets non linéaires sont contrôlés par le panneau Paramètres d'analyse, où les utilisateurs peuvent activer de grands effets de déviation, ajuster les critères de convergence et spécifier les contrôles de solution.

Les paramètres clés pour l'analyse des matériaux non linéaires comprennent :

La plus grande déflection: devrait être activée lorsque la non-linéarité géométrique accompagne la non-linéarité matérielle
Substeps: Contrôler le processus de chargement progressif, avec plus de sous-étapes permettant une meilleure convergence pour les problèmes hautement non linéaires
Automatique Stepping Time:[ Permet à INSYS d'ajuster les tailles d'étapes en fonction du comportement de convergence
Newton-Raphson Options:[ Contrôler la procédure de solution itérative utilisée pour résoudre les équations non linéaires
Critères de convergence:[ Définir les tolérances pour la convergence de la force, du moment et du déplacement

La mise en place d'une analyse non linéaire implique l'application progressive de la charge, ce qui aide le résolveur à converger vers des solutions précises en évitant les sauts soudains dans la réponse du matériau.

Considérations de mesh pour l'analyse non linéaire

La qualité des mailles devient encore plus critique dans l'analyse des matériaux non linéaires par rapport à l'analyse linéaire. Utilisez une densité de maille adéquate pour saisir avec précision les gradients de contrainte et le comportement des matériaux, en particulier dans les régions où la déformation plastique ou d'autres effets non linéaires sont attendus pour se concentrer.

Pour l'analyse des matériaux non linéaires, il faut tenir compte des lignes directrices suivantes :

Utiliser des éléments de plus grande ordre (quadratiques) lorsque possible pour une meilleure précision du stress
Affiner le maillage dans les régions qui devraient subir une déformation plastique ou de grandes souches
Veiller à ce que les rapports d'aspect des éléments soient adéquats pour éviter les problèmes numériques
Envisager d'utiliser des maillages adaptatifs pour résoudre les problèmes liés à l'évolution des concentrations de stress
Vérifier l'indépendance des mailles en comparant les résultats avec des mailles progressivement raffinées

Pour les problèmes de modélisation de zone cohésive par contact, où le maillage peut être trop grossier pour saisir le comportement de décollage local correctement ou une forte adhérence existe entre deux matériaux souples, vous pouvez utiliser l'adaptabilité non linéaire pour capturer les gradients de contrainte et améliorer la précision de la solution.

Conditions de limite et chargement

L'application correcte des conditions et des charges limites est essentielle pour une analyse des matériaux non linéaire réussie. Contrairement à l'analyse linéaire où la superposition s'applique, l'analyse non linéaire nécessite un examen attentif de l'historique de la charge et du séquençage.

Les meilleures pratiques pour appliquer les charges dans l'analyse des matériaux non linéaires sont les suivantes:

Appliquer progressivement les charges à travers plusieurs sous-étapes plutôt qu'en une seule étape
Utiliser une charge contrôlée par déplacement lorsque l'adoucissement du matériau est attendu
Envisager les charges thermiques et leurs effets sur les propriétés des matériaux lorsque le comportement dépend de la température est impliqué
Mettre en œuvre soigneusement les définitions de contact, car la non-linéarité de contact accompagne souvent la non-linéarité matérielle.
Surveiller les forces de réaction et les déplacements pour vérifier le caractère raisonnable de la situation physique

Tutoriel 1: Modélisation de la plasticité dans les métaux

Comprendre la plasticité des métaux

Dans les matériaux élastoplastiques, comme la contrainte augmente au-delà d'un seuil (appelé limite de rendement), le comportement de contrainte-souche devient de plus en plus non linéaire et, lors du déchargement complet, une souche résiduelle (appelée souche plastique) demeure, décrite comme un comportement de plasticité observé dans le matériau.

Les modèles de plasticité métallique dans l'ANSYS peuvent capturer différents comportements de durcissement:

Rendement isotrope bilinéaire:[ Modèle le plus simple avec un comportement élastique linéaire jusqu'à rendement, suivi d'un durcissement en plastique linéaire
Rendement isotrope multilinéaire:[ Permet de définir des courbes de contrainte-souche arbitraires en utilisant plusieurs points de données
Rendement cinématique:[ Modélise l'effet Bauschinger pour les applications de chargement cyclique
Combiné durcissement:[ Incorpore à la fois le durcissement isotrope et cinématique pour les antécédents de chargement complexes

Pour en savoir plus sur les options de modèle de matériau pour décrire le comportement de plasticité, voir la Plasticité Indépendante de la vitesse dans la référence de matériau. La documentation de l'ANSYS fournit des informations détaillées sur le fond théorique et la mise en œuvre de chaque modèle de plasticité.

Configuration de l'analyse de la plasticité étape par étape

Pour effectuer une analyse de plasticité dans Ansys Workbench, suivez ces étapes complètes :

Étape 1: Définition du matériau[

Ouvrez les données d'ingénierie et créez un nouveau matériau ou sélectionnez un métal existant
Définir les propriétés élastiques linéaires (Modulus et Rapport de Poisson de Young)
Naviguez dans la section Plasticité et sélectionnez "Rendeur isotrope bilinéaire" ou "Rendeur isotrope multilinéaire"
Pour le modèle bilinéaire, entrée de la force de rendement et du module Tangent
Pour le modèle multilinéaire, les points de données de contrainte-souche d'entrée des résultats expérimentaux d'essais de traction
Vérifier la courbe contrainte-souche semble raisonnable

Étape 2: Géométrie et mesh

Importer ou créer la géométrie du composant à analyser
Générer un maillage avec un raffinement approprié dans les zones en plastique prévues
Utiliser des éléments quadratiques pour améliorer la précision de la contrainte
Vérifier les paramètres de qualité du maillage (rapport d'aspect, inclinaison, qualité orthogonale)

Étape 3: Paramètres d'analyse

Dans les paramètres d'analyse statique structurelle, activer "Large Deflection" si la non-linéarité géométrique est attendue
Nombre de sous-étapes (généralement 10-50 pour les problèmes de plasticité)
Activer "Auto Time Stepping" avec des sous-étapes minimum et maximum appropriées
Ajuster les critères de convergence si les valeurs par défaut posent des problèmes de convergence

Étape 4: Conditions de délimitation et chargement

Appliquer des contraintes fixes de support ou de déplacement
Appliquer progressivement les charges (utiliser les charges ramifiées)
Envisager d'utiliser la charge contrôlée par déplacement pour le comportement post-rendement

Étape 5: Solution et post-traitement

Insérer les sondes de résultats pour une contrainte équivalente (von Mises), une déformation plastique équivalente et une déformation
Résolvez l'analyse et surveillez le comportement de convergence
Examiner la distribution des souches plastiques pour identifier les régions cédées
Vérifier que les valeurs de contrainte sont à un plateau à la limite de l'élasticité ou à proximité de celle-ci dans les régions entièrement plastiques
Générer des courbes force-déplacement pour comprendre la réponse structurelle globale

Interprétation des résultats de la plasticité

La ligne jaune est la courbe de contrainte-souche linéaire du matériau et la partie élastique de la courbe de contrainte-souche non linéaire du matériau, avec des matériaux linéaires permettant de maintenir la contrainte sans limite, tandis que avec les matériaux non linéaires, à mesure que la contrainte augmente, la contrainte monte la partie élastique jusqu'au point de rendement, puis suit la partie plastique plate.

Lors de l'examen des résultats de l'analyse de plasticité, porter attention à :

Straine plastique équivalente:[ montre les régions qui ont subi une déformation permanente
Von Mises Stress:[ Ne doit pas dépasser de façon significative la résistance de rendement dans les régions parfaitement plastiques
Déformation:[ Sera plus grande que les prédictions élastiques linéaires une fois que la production se produira
Reaction Forces:[ Peut montrer une relation non linéaire avec le déplacement appliqué

Les problèmes courants dans l'analyse de la plasticité comprennent le rendement prématuré dû aux concentrations de contraintes, les difficultés de convergence lorsque de grandes souches de plastique se développent et des définitions irréalistes de matériaux.

Tutoriel 2: Simulation de matériaux hyperélastiques

Principes fondamentaux de l'hyperélasticité

Un matériau est dit hyperélastique s'il existe une fonction de potentiel élastique (ou fonction de densité d'énergie de déformation), qui est une fonction scalaire d'un des tenseurs de déformation ou de déformation, et l'hyperélasticité peut être utilisée pour analyser des matériaux de caoutchouc (élastomères) qui subissent de grandes souches et des déplacements avec de petits changements de volume (matériaux presque incompressibles).

ANSYS propose de nombreux modèles de matériaux hyperélastiques, adaptés à différents matériaux et gammes de déformation:

Néo-Hookean:[ Modèle le plus simple, adapté aux souches modérées jusqu'à 30-40%
Mooney-Rivlin:[ Modèles à deux paramètres ou à plus haut niveau pour le comportement général du caoutchouc
Yeoh: Modèle à trois paramètres efficace pour les déformations uniaxiales et biaxiales
Ogden: Modèle flexible qui peut s'adapter avec précision aux données expérimentales complexes
Arruda-Boyce: Modèle basé sur des données physiques tirées des statistiques de la chaîne de polymères
Blatz-Ko: Convient aux matériaux en mousse compressible

Le choix du modèle hyperélastique approprié dépend des données d'essai disponibles, de la gamme de déformation attendue et des modes de déformation que le matériau aura en service.

Caractérisation des matériaux hyperélastiques

La simulation hyperélastique précise nécessite une caractérisation complète du matériau par plusieurs modes d'essai. Différents états de déformation activent différents aspects de la fonction énergie de déformation, de sorte que le fait de compter sur un seul type d'essai peut conduire à des prédictions inexactes sous charge complexe.

Les configurations d'essai standard pour les matériaux hyperélastiques comprennent:

Tension uniaxiale:[ Essai le plus fréquent, étire l'échantillon dans une direction
Tension biaxiale:[ Applique une tension égale dans deux directions perpendiculaires
Tension plane (Pure Shear): Contraintes de déformation dans une direction tout en s'étirant dans une autre
Compression volumétrique:[ Mesure le module en vrac et la compressibilité

ANSYS fournit des outils de réglage de courbe qui peuvent déterminer des paramètres de matériau optimaux à partir de données expérimentales. Le logiciel peut s'adapter simultanément à plusieurs ensembles de données de test, assurant que le modèle de matériau représente avec précision le comportement de tous les modes de déformation.

Mise en œuvre de l'analyse hyperélastique

La mise en place d'une analyse hyperélastique dans l'ANSYS suit un flux de travail similaire à l'analyse de plasticité, mais avec des considérations spécifiques pour les grandes déformations:

Processus de définition du matériau:[

Dans Engineering Data, créez un nouveau matériau pour le composant hyperélastique
Naviguez vers la section Hyperélastique et sélectionnez le modèle de matériau souhaité
Données d'essai d'entrée provenant de la caractérisation expérimentale ou utilisant des outils de réglage de courbe
Pour l'ajustement de la courbe, importer des données de contrainte-souche provenant de plusieurs types d'essai.
Examiner les paramètres et indicateurs de stabilité adaptés
Vérifier que les courbes ajustées correspondent aux données expérimentales pour tous les modes d'essai

Configuration de l'analyse:

Une grande déviation doit être activée pour une analyse hyperélastique
Utiliser des sous-étapes suffisantes pour saisir la réponse non linéaire de déplacement de charge
Envisager d'utiliser une charge contrôlée par déplacement pour une meilleure convergence
Activer la recherche en ligne si des difficultés de convergence se posent
Utiliser des formulations d'éléments appropriées (éviter les éléments entièrement intégrés pour des matériaux presque incompressibles)

La théorie des grandes déformations est nécessaire (NLGEOM,ON) pour toutes les analyses hyperélastiques. La non-linéarité géométrique résultant de grandes déformations est inhérente au comportement des matériaux hyperélastiques et ne peut être négligée.

Techniques avancées de modélisation hyperélastique

Pour des applications hyperélastiques complexes, plusieurs techniques avancées peuvent améliorer la précision et la convergence:

Effet des mollusques:[ Certains élastomères présentent un assouplissement de la contrainte pendant le premier cycle de chargement, connu sous le nom d'effet Mullins. ANSYS peut modéliser ce phénomène par des options de matériaux spécialisés qui suivent l'historique de chargement et ajuster la réponse de contrainte en conséquence.

Effets viscoélastiques: Les élastomères réels présentent souvent un comportement dépendant du temps en plus de l'hyperélasticité. ANSYS permet de combiner des modèles hyperélastiques et viscoélastiques pour capturer à la fois la réponse instantanée à grande strain et la relaxation ou le fluage dépendant du temps.

Dèpendance de température:[ Les propriétés du caoutchouc varient considérablement en fonction de la température. Les paramètres hyperélastiques dépendants de la température peuvent être définis pour tenir compte des changements de rigidité dans la plage de température de fonctionnement.

Incompressibilité Contraintes : La plupart des élastomères sont presque incompressibles (rapport de Poisson approchant 0,5). Les formulations d'éléments spéciaux avec la formulation mixte u-P (pression de déplacement) empêchent le verrouillage volumétrique et assurent des résultats précis pour les matériaux incompressibles.

Tutoriel 3: Comportement à la crinière sous des températures élevées

Comprendre le phénomène de la crinière

Le criep est dépendant du temps, alors que la plasticité ne l'est pas. Le criep représente la tendance des matériaux à se déformer de façon permanente sous une charge soutenue au fil du temps, particulièrement à des températures élevées.

Le comportement de la criée progresse généralement à trois étapes distinctes :

Crèche primaire: Étape initiale avec une vitesse de fluage décroissante comme le matériau durcit
Crèche secondaire: Stade de stabilité avec vitesse de fluage constante, souvent la plus longue phase
Crèche tertiaire: Accélération du taux de fluage entraînant une défaillance due à l'accumulation de dommages

ANSYS fournit plusieurs modèles de fluage pour capturer ces comportements, y compris des formulations implicites de fluage pour des applications générales et un fluage explicite pour des courbes de fluage hautement non linéaires. Pour les courbes de fluage hautement non linéaires contre des courbes de temps, le fluage explicite nécessite une petite étape dans le temps, et une procédure d'optimisation de fluage est disponible pour ajuster automatiquement l'étape de temps selon les besoins.

Modèles de matériaux de cripe dans l'ANSYS

ANSEYS propose plusieurs lois sur le fluage qui décrivent la relation entre la vitesse de déformation du fluage, le stress, la température et le temps:

Modèles de criquet primaire:[ Durcissement de la souche, durcissement du temps et exponentielle généralisée
Modèles de criquet secondaire: Norton (loi sur la puissance), exponentielle et rationnelle polynôme
Modèles combinés: Garofalo généralisé, durcissement du temps modifié et durcissement du temps généralisé
Crèche définie par l'utilisateur:[ Permet la mise en œuvre de lois de fluage personnalisées par sous-routines d'utilisateur

Le modèle de fluage de la loi de la puissance de Norton est l'un des plus utilisés, exprimant le taux de déformation de fluage en fonction de la contrainte et de la température à travers l'équation : le taux de fluage = C1 × φ^C2 × exp(-C3/T), où C1, C2 et C3 sont des constantes de matériau déterminées à partir des données d'essai de fluage.

Mise en place de l'analyse des crips

L'analyse du crips dans l'ANSYS exige une attention particulière aux propriétés de pas en temps et de température :

Définition du matériau pour le criquet:[

Définir les propriétés élastiques dépendant de la température (module de Young, rapport de Poisson)
Choisir le modèle de fluage approprié dans la section Creep dans Données d'ingénierie
constantes de fluage d'entrée dérivées des essais expérimentaux de fluage
Définir plusieurs points de température si le comportement de fluage varie significativement avec la température
Vérifier les prédictions de déformations de fluage en fonction des données d'essai connues

Considérations relatives à la configuration de l'analyse:

Utiliser un type d'analyse transitoire (dépendant du temps)
Définir une plage de temps appropriée couvrant la durée de vie ou la durée d'essai
Définir les sous-étapes initiales assez petites pour capturer le fluage primaire avec précision
Activer automatiquement le temps pour gérer efficacement les différents taux de fluage
Appliquer les charges de température si l'analyse thermique est couplée au fluage
Considérez la redistribution du stress au fur et à mesure que le fluage progresse

Conditions de chargement et de délimitation:[

Appliquer des charges mécaniques qui restent constantes pendant la période de fluage
Définir la répartition de la température (uniforme ou variable)
Envisager les effets de dilatation thermique en cas de changement de température
Appliquer des contraintes qui permettent de développer la déformation du fluage

Interprétation des résultats de l'analyse de la cribe

Les résultats de l'analyse de la criée fournissent des renseignements sur le comportement matériel à long terme et l'intégrité structurale :

Straine de creep:[ Pression totale accumulée au fil du temps, séparée des déformations élastiques et plastiques
Taux de déformation équivalent de la couche de crampons :[Taux de déformation actuel, utile pour identifier le fluage à l'état d'équilibre
Redistribution de la contrainte:[ Les pressions changent avec le temps, car le fluage permet le transfert de la charge vers des régions plus rigides
Temps de défaillance: Peut être estimé si des modèles de fluage tertiaire sont utilisés

La courbe doit montrer une pente décroissante pendant le fluage primaire, une pente constante pendant le fluage secondaire et une pente croissante si le fluage tertiaire est modélisé.

Applications pratiques de l'analyse de la criée

L'analyse de la criée est essentielle pour de nombreuses applications d'ingénierie à haute température :

Composants de turbines de gaz: Lames et vanes de turbine fonctionnant à des températures extrêmes
Production d'énergie:[ Tubes, tuyaux à vapeur et récipients à pression dans les centrales thermiques
Réacteurs nucléaires:[ Revêtement de carburant et composants structuraux sous rayonnement et température soutenus
Structures de l'espace aérien:[ Composants du moteur et pièces de la cellule exposées à des températures élevées
Traitement chimique:[ Réacteurs et tuyauteries manipulant des fluides à haute température

Pour ces applications, une prévision précise du fluage est essentielle pour déterminer les intervalles d'inspection, prévoir la durée de vie restante et prévenir les défaillances catastrophiques.

Tutoriel 4: Analyse de la déformation importante

Non-linéarité géométrique et non-linéarité matérielle

L'analyse de déformations importantes combine la non-linéarité géométrique avec la non-linéarité matérielle pour saisir la réponse structurelle complète lorsque les deux effets sont significatifs. Les structures minces subissent de grandes rotations et déplacements malgré la conformité du matériau à la loi de Hooke; ces derniers sont connus comme non-linéarité géométrique.

La non-linéarité géométrique provient de plusieurs sources:

Grands déplacements:[ La géométrie déformée diffère significativement de la configuration originale
Grandes rotations :[ L'orientation des éléments change considérablement pendant la déformation
Forces de suivi:[ Charges qui changent de direction lorsque la structure se déforme (par exemple, charges de pression)
Contact Changements: Les zones de contact et l'état du contact évoluent pendant la déformation

La combinaison de matériaux et de non-linéarité géométrique est particulièrement importante pour les applications impliquant des structures à parois minces, des composants en caoutchouc, le formage de métaux et des simulations biomécaniques.

Mise en œuvre d'une analyse de la déformation majeure

Une analyse de déformation importante nécessite de permettre les options de résolveur appropriées et d'utiliser des formulations d'éléments appropriées:

Configuration du solvant:

Activer "Large Deflction" dans les paramètres d'analyse (ceci active NLGEOM dans APDL)
Utiliser la formulation lagrangien mise à jour (par défaut dans l'ANSYS pour une déformation importante)
Augmentation du nombre de sous-étapes pour saisir avec précision la déformation progressive
Activer la recherche en ligne pour améliorer la convergence pour une non-linéarité sévère
Envisager d'utiliser la méthode de longueur d'arc pour le comportement de snap-through ou de snap-back

Sélection d'élément:

Utiliser des éléments de technologie courante (SOLID185, SOLID186, SHELL181, etc.) qui supportent les formulations de grandes souches
Évitez les éléments hérités qui peuvent ne pas gérer correctement les déformations importantes
Choisir les formulations d'éléments appropriées pour les matériaux presque incompressibles
Utiliser les éléments d'intégration réduits avec prudence et vérifier la sablier

Considérations relatives au modèle de matériau:

Les modèles hyperélastiques exigent intrinsèquement une grande théorie de déformation
La plasticité peut utiliser des formulations à petites ou grandes chaînes
S'assurer que le modèle de matériau est compatible avec la cinématique de déformation de grande taille
Considérer la mesure de contrainte (Cauchy, 2e Piola-Kirchhoff) appropriée pour l'application

Stratégies de convergence pour les grands problèmes de déformation

Les analyses de déformations importantes avec des matériaux non linéaires peuvent présenter des défis de convergence importants.

Load Ramping:[ Appliquer progressivement des charges sur de nombreux sous-étapes plutôt que soudainement
Commande de déplacement:[ Utiliser une charge contrôlée par déplacement lorsque les courbes de déplacement de charge ont des pentes négatives
Stabilisation:[ Appliquer un amortissement ou une stabilisation artificiels pour les voies d'équilibre instables
Redémarrage Capacité:[Enregistrer les résultats intermédiaires pour redémarrer des états convergents si des divergences se produisent
Bisection: Autoriser la bisection automatique en sous-étape lorsque des difficultés de convergence surviennent
Prédicteur: Régler les options de prédicteur pour améliorer la conjecture initiale pour chaque sous-étape

Surveillez soigneusement les paramètres de convergence pendant la solution. Les critères de convergence de la force et du moment sont généralement plus fiables que les critères de déplacement pour les problèmes de déformation importants.

Résultats de la formation après traitement

L'interprétation des résultats d'une analyse de déformation importante nécessite une compréhension de la configuration de référence:

Forme déformée:[ Toujours voir les résultats sur la géométrie déformée pour comprendre la distribution réelle des contraintes
Mesures de contrainte: La contrainte de cauchy (vraie) est généralement la plus significative pour les grandes déformations
Mesures de déformation:[ La souche logarithmique fournit des valeurs significatives pour les grandes déformations
Courbes de déplacement de la force:[ Reveal comportement non linéaire de raidissement ou d'adoucissement
Animation:[ Antécédents de déformation animés pour comprendre le comportement progressif

Sachez que les concentrations de contrainte peuvent changer de position à mesure que la déformation progresse, et que les concentrations de contrainte initiales peuvent s'atténuer pendant que de nouvelles concentrations se développent ailleurs.

Techniques de modélisation des matériaux non linéaires avancées

Combiner plusieurs modèles de matériaux

Vous pouvez également combiner certains modèles de matériaux pour simuler différents comportements matériels, et pour une liste de combinaisons de modèles de matériaux valides et d'exemples d'entrée correspondants, voir Combiner des modèles de matériaux dans la référence de matériaux.

Elastoplasicité avec le cripe: Capture à la fois le rendement instantané en plastique et la déformation de fluage dépendante du temps
Hyperélasticité avec Viscoélasticité: Modéliser les matériaux en caoutchouc avec une réponse élastique à la fois à grande déformation et des effets dépendants du temps
Plastique avec dommages:[ Simule une dégradation progressive du matériau conduisant à une défaillance
Couplage thermique-structurale:Compte des propriétés des matériaux dépendant de la température et de la dilatation thermique

Lors de la combinaison des modèles de matériaux, assurer la compatibilité et comprendre l'ordre de décomposition de la souche. La souche totale est généralement décomposée en composants élastiques, plastiques, fluctuants, thermiques et autres, chaque composant étant régi par sa loi constitutive respective.

Comportement des matériaux à débit variable

L'option de commande TB,RATE vous permet d'introduire l'effet de vitesse de déformation dans les modèles de matériaux pour simuler la réponse temporelle des matériaux, avec des applications typiques, y compris le formage de métal et les systèmes micro-électromécaniques (MEMS). La plasticité dépendante de vitesse devient importante lorsque les taux de chargement sont élevés ou lorsque les matériaux présentent une sensibilité significative à la vitesse de déformation.

L'ANSYS offre plusieurs options matérielles dépendantes des taux :

Perzyna Modèle: Modèle de surcontrainte viscoplasique pour la production dépendante de la vitesse
Modèle de pression: Plasticité dépendante du taux pour les métaux à diverses vitesses de déformation
Anand Modèle: Modèle viscoplastique unifié pour soudure et autres matériaux
Chaboche Modèle: Modèle viscoplastique avancé avec plusieurs composants de contrainte arrière

Ces modèles sont essentiels pour simuler l'impact, le choc, le formage des métaux et d'autres scénarios de chargement dynamiques ou à taux élevé où la résistance du matériau varie avec le taux de déformation.

Alliages de mémoire de forme

L'option de comportement du matériau en alliage de mémoire de forme (TB,SMA) décrit le comportement superélastique de l'alliage de nitinol, qui est un alliage métallique flexible qui peut subir de très grandes déformations dans les cycles de chargement-déchargement sans déformation permanente. Le comportement du matériau comporte trois phases distinctes : une phase austénite (élastique linéaire), une phase martensite (aussi élastique linéaire) et la phase de transition entre ces deux phases.

La modélisation de l'alliage de la mémoire de forme nécessite la définition des températures de transformation et des paramètres matériels qui régissent la transformation de phase.

Modèles de matériaux définis par l'utilisateur

Lorsque les modèles de matériaux intégrés ne peuvent pas représenter adéquatement un comportement matériel spécifique, l'ANSYS fournit des mécanismes pour la mise en œuvre de modèles de matériaux personnalisés par des fonctionnalités programmables par l'utilisateur. La sous-routine UserMat permet de définir des relations de contrainte-souche arbitraires, permettant la simulation de matériaux propriétaires ou de nouveaux modèles constitutifs développés par la recherche.

La mise en œuvre de matériaux définis par l'utilisateur nécessite:

Programmation des équations constitutives dans Fortran ou C++
Fournir le matériel Jacobian (matrix tangent-stress-train) pour la convergence Newton-Raphson
Définition des variables d'état pour suivre l'historique du matériel
Essais approfondis et validations par rapport aux solutions connues

Meilleures pratiques pour l'analyse non linéaire du matériel

Simplification et validation du modèle

Simplifiez votre modèle pour concentrer les ressources de calcul sur les régions d'intérêt. Utilisez les conditions de limite de symétrie, le cas échéant, et envisagez des techniques de sous-modélisation où l'analyse linéaire globale fournit les conditions de limite pour l'analyse non linéaire détaillée des régions critiques.

Validez toujours les modèles de matériaux non linéaires en fonction de données expérimentales ou de solutions analytiques avant de les appliquer à des géométries complexes. Commencez par des problèmes simples de référence (tension uniaxiale, flexion pure, etc.) pour vérifier les définitions de matériaux et les réglages du solveur.

Convergence Dépannage

Les difficultés de convergence sont courantes dans l'analyse non linéaire des matériaux.

Review Material Définitions:[ Vérifier que les paramètres matériels sont physiquement raisonnables et correctement définis

Check Mesh Quality: La mauvaise qualité des mailles exacerbe les problèmes de convergence dans l'analyse non linéaire

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Ajustez les critères de convergence: Relâchez légèrement les critères si la convergence est presque atteinte mais oscillant
Activer la recherche en ligne :[ Aide à trouver une solution optimale dans chaque itération
Utiliser le contrôle de déplacement:[ Pour adoucir le comportement ou les problèmes de claquage
Appliquez des charges progressives: L'application de charge soudaine peut causer des divergences
Review Boundary Conditions:[ S'assurer que le modèle est correctement limité sans surcontraction

L'ANSYS fournit des informations détaillées sur la convergence montrant quels critères de convergence ne sont pas satisfaits, aidant à identifier la source des difficultés.

Efficacité informatique

L'analyse des matériaux non linéaires peut être coûteuse en calcul.

Message adaptatif: Affiner le maillage uniquement lorsque nécessaire en fonction des gradients de solution
Traitement paralléliste : Utilisation de processeurs multi-cœurs et de calcul distribué
Sélection de l'écran:[ Choisissez un résolveur approprié (parcours direct, itératif, etc.) en fonction de la taille du problème
Redémarrer la capacité:[ Enregistrer les résultats intermédiaires pour éviter de se re-solder dès le début
Sous-modèles:[ Effectuer une analyse non linéaire détaillée seulement dans les régions critiques
Modélisation de l'ordre réduit: Pour les études paramétriques, envisager des techniques de l'ordre réduit

Documentation et rapports

Une documentation complète de l'analyse non linéaire des matériaux est essentielle pour la reproductibilité et la vérification :

Documenter tous les paramètres matériels et leurs sources (données d'essai, littérature, spécifications)
Paramètres d'analyse des enregistrements, critères de convergence et options de solveur
Inclure des études de convergence des mailles démontrant l'indépendance de la solution par rapport à la densité des mailles
Fournir une validation par rapport aux données expérimentales ou aux solutions de référence
Discuter des hypothèses et des limites de l'analyse
Présenter les résultats avec le contexte approprié et l'interprétation

Applications industrielles et études de cas

Applications de l'industrie automobile

L'industrie automobile utilise largement l'analyse des matériaux non linéaires pour la résistance à l'écrasement, le formage des métaux et la durabilité des composants. Les simulations de choc nécessitent des modèles de plasticité dépendant de la vitesse pour saisir le comportement des matériaux lors des chocs à grande vitesse.

Les composants en caoutchouc, y compris les joints, les douilles et les pneus, nécessitent des modèles de matériaux hyperélastiques. La simulation précise de ces composants sous charge de service permet d'optimiser les conceptions pour la durabilité, la performance de vibration-brouillage (NVH) et le confort.

Applications aérospatiales

Les structures aérospatiales fonctionnent dans des conditions extrêmes nécessitant une modélisation des matériaux sophistiqués. Les composants du moteur turbine subissent des températures élevées où le fluage devient le facteur limitant la durée de vie.

Les matériaux composites utilisés de façon intensive dans les avions modernes nécessitent des modèles de matériaux spécialisés qui captent l'interaction fibre-matrice, les dommages progressifs et la défaillance.

Génie biomédical

Les applications biomédicales impliquent des matériaux uniques et des conditions de chargement. Les tissus mous présentent un comportement hyperélastique avec une anisotropie complexe et viscoélastique. Les simulations de déploiement d'endoprothèses nécessitent une modélisation précise de la superélasticité de l'alliage de la mémoire de forme combinée au contact entre l'endoprothèse et la paroi du vaisseau.

La conception de l'implant bénéficie d'une analyse non linéaire des matériaux pour prédire le remodelage osseux, le blindage du stress et les performances à long terme sous charge physiologique.

Génie civil et structurel

Les structures de génie civil nécessitent une analyse des matériaux non linéaire pour l'évaluation de la capacité de charge ultime, l'évaluation de la performance sismique et l'analyse progressive de l'effondrement. Le béton présente un comportement non linéaire complexe, y compris la fissuration en tension, le concassage en compression et le softing de la pression.

Les structures en acier qui subissent une déformation plastique lors d'événements extrêmes (séismes de terre, explosions) nécessitent des modèles de plasticité précis avec des lois de durcissement appropriées et des critères de défaillance.

Tendances futures de la modélisation non linéaire des matériaux

Intégration de l'apprentissage automatique

Les réseaux neuraux peuvent apprendre le comportement matériel complexe à partir de données expérimentales, fournissant potentiellement des modèles constitutifs plus précis que les approches phénoménologiques traditionnelles. Les modèles matériels fondés sur les données peuvent réduire le besoin de caractérisation matérielle étendue tout en améliorant la précision des prévisions.

Modélisation à plusieurs échelles

La modélisation multiéchelle de matériaux relie le comportement à différentes échelles de longueur, des simulations atomistes qui éclairent les modèles continus aux prédictions microstructures des propriétés macroscopiques. L'ANSYS continue de développer des capacités pour les échelles de pontage, permettant des modèles matériels plus physiques dérivés de la science fondamentale des matériaux.

Matériaux de fabrication additifs

La fabrication additive produit des matériaux avec des microstructures uniques et des propriétés anisotropes nécessitant des modèles de matériaux spécialisés. Les contraintes résiduelles du processus de construction, les propriétés directionnelles et les effets de porosité influencent tous le comportement des matériaux.

Ressources d'apprentissage et développement ultérieur

INSYS Ressources d'apprentissage

L'ANSYS offre des cours gratuits sur la plasticité des métaux et d'autres cours recommandés, y compris la contrainte déviatorique, le matériau linéaire, le démarrage avec mécanique et la mécanique solide. L'ANSYS Innovation Space propose des tutoriels, de la documentation et des forums communautaires où les utilisateurs peuvent apprendre des experts et partager des expériences.

La documentation officielle de l'ANSYS, y compris le Guide d'analyse structurelle, la référence matérielle et la référence théorique, fournit des informations complètes sur les modèles matériels, les détails de mise en œuvre et le contexte théorique.

Possibilités d'apprentissage externes

De nombreuses ressources externes complètent la formation spécifique à l'ANSYS. Des cours universitaires en mécanique continue, en théorie de la plasticité et en mécanique informatique fournissent des bases théoriques.

Les publications de revues telles que le Journal international de la plasticité, les méthodes informatiques en mécanique appliquée et en génie et les éléments Finite en analyse et en conception présentent des recherches de pointe en modélisation des matériaux.

Pour ceux qui cherchent à approfondir leur compréhension des méthodes d'éléments finis et de la modélisation matérielle, les ressources comme COMSOL Nonlineary Structurel Materials Module documentation[ et Les guides de SimScale sur l'inélasticité de la modélisation fournissent des perspectives complémentaires précieuses sur les approches de simulation matérielle non linéaire.

Conclusion

La maîtrise de l'analyse du comportement des matériaux non linéaires dans l'ANSYS ouvre la porte à la résolution de problèmes techniques complexes qui ne peuvent être résolus par l'analyse linéaire seule. Ces capacités sont essentielles pour la conception et l'analyse modernes de l'ingénierie.

La réussite de l'analyse non linéaire des matériaux exige une combinaison de compréhension théorique, d'expérience pratique et d'approche systématique pour le développement et la validation des modèles.

À mesure que la science des matériaux progresse et que les capacités de calcul continuent de croître, la modélisation des matériaux non linéaires deviendra de plus en plus sophistiquée et accessible.

Que vous analysiez la capacité de charge ultime des structures, optimisiez les processus de formage des métaux, conceviez des composants en caoutchouc ou évaluiez le fluage à haute température, l'ANSYS fournit les outils nécessaires à la simulation précise des matériaux non linéaires.