L'analisi dei comportamenti materiali non lineari rappresenta uno degli aspetti più critici e stimolanti della simulazione di ingegneria moderna. Poiché le strutture e i componenti sono sottoposti a condizioni di carico sempre più esigenti, la comprensione come i materiali rispondono oltre i loro limiti elastici lineari diventa essenziale per un design accurato, la valutazione della sicurezza e l'ottimizzazione delle prestazioni.

Questa guida completa esplora i concetti fondamentali, le strategie di implementazione pratica e i tutorial avanzati per l'esecuzione di analisi dei comportamenti materiali non lineari in ANSYS. Sia che si stia analizzando la plasticità metallica, simulando materiali iperelastici di gomma, o valutando i fenomeni di strisciamento dipendente dal tempo, la padronanza di queste tecniche è essenziale per produrre risultati di simulazione affidabili che possono guidare le decisioni di ingegneria critica.

Comprensione del comportamento materiale non lineare

Che cosa costituisce Materiale Nonlinearietà

Ci sono diversi tipi di non linearità, come materiali, geometrici e non lineari, con il tipo più comune di non linearità essendo la non linearità materiale osservata a causa della non linearità nel comportamento dello stress-strain. La non linearità materiale si verifica quando il rapporto tra stress e tensione devia dalla semplice proporzionalità descritta dalla legge di Hooke.

La non linearità del materiale viene utilizzata quando si vuole osservare il comportamento e i risultati della struttura, soprattutto nella regione che manifesta maggiori sollecitazioni rispetto alla resistenza alla resa (da qui si afferma che questa regione è il luogo in cui la deformazione plastica permanente sarà molto dominante).

Tipi di nonlinearità dei materiali in ANSYS

ANSYS supporta una vasta gamma di comportamenti materiali non lineari, adatti a diversi fenomeni fisici e applicazioni ingegneristiche. Creep, viscoplasticità e viscoelastica danno origine a non linearità che possono essere tempo, velocità, temperatura e stress-correlati. Le categorie principali di modelli non lineari di materiale disponibili in ANSYS includono:

Modelli di plasticità:[ Cattura deformazione permanente nei metalli e in altri materiali quando le sollecitazioni superano il limite di resa
Modelli iperelastici:[ Descrivi deformazioni grandi e recuperabili in materiali elastomeri simili a gomma
Modelli di segnale:[] Account per deformazione dipendente dal tempo sotto carico sostenuto, in particolare a temperature elevate
Modelli viscoplastici:[ Combina la plasticità dipendente dal tasso con effetti dipendente dal tempo
Modelli viscoelastici:[ Materiali rappresentativi che presentano caratteristiche viscose ed elastiche
Modelli di lega di memoria di scherma:[ Simulano materiali che possono recuperare la loro forma originale dopo grandi deformazioni

Qualsiasi tipo di proprietà non lineare può essere incorporata nella vostra analisi se si utilizzano i tipi di elementi appropriati. La selezione del modello materiale appropriato dipende dal materiale specifico che viene analizzato, dalle condizioni di carico, dalla gamma di temperatura e dai fenomeni fisici di interesse.

Iniziare con modelli di materiali non lineari in ANSYS

Accessibilità delle definizioni del modello del materiale

In ANSYS Workbench, le proprietà materiali sono definite attraverso l'interfaccia Engineering Data, che fornisce l'accesso a comportamenti materiali lineari e non lineari. Se un materiale visualizza comportamenti non lineari, utilizzare la famiglia di comandi TB per definire le relazioni di proprietà materiali non lineari in termini di una tabella di dati.

Il processo di definizione del materiale comporta in genere diversi passaggi chiave:

Definire le proprietà elastiche lineari di base (modulo di Young, rapporto di Poisson, densità)
Selezionare il modello materiale non lineare appropriato dalle opzioni disponibili
Parametri specifici del materiale di input basati su dati sperimentali o specifiche del materiale
Verificare il comportamento del materiale attraverso la visualizzazione della curva dello stress-strain
Assegnare il materiale a componenti geometrici appropriati

ANSYS fornisce strumenti di visualizzazione come TBPLOT che permettono agli utenti di visualizzare in anteprima il comportamento dello stress-strain prima di eseguire l'analisi, aiutando a identificare potenziali errori di input o definizioni materiali non realistiche.

Comprendere i requisiti dei dati dei materiali

Per i modelli di plasticità, è necessario definire una curva di indurimento isotropico bilineare, o una curva multilineare sotto l'albero di dati di plasticità in dati di ingegneria nel banco di lavoro. Questi dati tipicamente provengono da test di trazione non assiale che misurano il comportamento dello stress-strain al di là del limite elastico.

Per i materiali iperelastici utilizzati per modellare gomme ed elastomeri, possono essere necessarie configurazioni di test multiple per caratterizzare pienamente il comportamento materiale. I tipi di test comuni includono la tensione non assiale, la tensione biassiale, la cesoia planare e la compressione volumetrica. La combinazione di questi test fornisce dati completi in diverse modalità di deformazione, garantendo previsioni accurate in condizioni di carico complesse.

L'analisi della criptica richiede dati dipendente dal tempo ottenuti da test di scorrimento, dove i campioni sono sottoposti a stress costante a temperature specifiche, e la tensione risultante viene misurata in periodi estese.

Impostazione dell'analisi non lineare dei materiali in ANSYS

Abilitare opzioni di analisi non lineare

L'analisi deve essere configurata per tener conto della natura iterativa delle soluzioni non lineari. Nel banco di lavoro ANSYS, gli effetti non lineari sono controllati attraverso il pannello delle impostazioni di analisi, dove gli utenti possono abilitare grandi effetti di deviazione, regolare i criteri di convergenza e specificare i controlli delle soluzioni.

Le impostazioni chiave per l'analisi dei materiali non lineari includono:

Grande deflettore:[] dovrebbe essere abilitato quando la non linearità geometrica accompagna la non linearità materiale
Substeps:[] Controllare il processo di carico incrementale, con più sottotitoli che forniscono una migliore convergenza per problemi altamente non lineari
Automatic Time Stepping:[ Consente ANSYS di regolare le dimensioni delle fasi in base al comportamento di convergenza
Opzioni Newton-Raphson:[] Controllare la procedura di soluzione iterativa utilizzata per risolvere equazioni non lineari
Criteri di convergenza:[ Definire tolleranze per la forza, il momento e la convergenza di spostamento

L'elaborazione di un'analisi non lineare comporta l'applicazione graduale del carico, che aiuta il risolutore a convergere a soluzioni accurate evitando salti improvvisi nella risposta materiale.

Considerazioni mesh per l'analisi non lineare

La qualità della maglia diventa ancora più critica nell'analisi dei materiali non lineari rispetto all'analisi lineare. Utilizzare una densità di rete adeguata per catturare con precisione i gradienti di stress e il comportamento materiale, in particolare nelle regioni in cui si prevede che si concentrino deformazioni di plastica o altri effetti non lineari.

Per l'analisi dei materiali non lineari, prendere in considerazione le seguenti linee guida di meshing:

Utilizzare elementi di ordine superiore (quadratico) quando possibile per una migliore precisione di stress
Raffinare la maglia nelle regioni che si aspettano di subire deformazioni di plastica o grandi ceppi
Assicurare rapporti di aspetto elementi adeguati per prevenire problemi numerici
Considerare l'utilizzo di mesh adattativo per problemi con concentrazioni di stress in evoluzione
Verificare l'indipendenza della rete confrontando i risultati con le mesh progressivamente raffinate

Per problemi di modellazione a zona coesa a contatto, dove la rete può essere troppo grossolana per catturare il comportamento di debonding locale correttamente o ad alta adesione esiste tra due materiali morbidi, è possibile utilizzare l'adattabilità non lineare per catturare i gradienti di stress e migliorare la precisione della soluzione.

Condizioni di trasporto e caricamento

A differenza dell'analisi lineare, dove si applica la sovrapposizione, l'analisi non lineare richiede un'attenta considerazione della storia del carico e della sequenziatura. Ogni passo di carico si basa sullo stato precedente, rendendo significativo l'ordine di applicazione del carico.

Le migliori pratiche per l'applicazione di carichi nell'analisi dei materiali non lineari includono:

Applicare carichi gradualmente attraverso più sottolinee piuttosto che in un unico passo
Utilizzare il carico controllato dallo spostamento quando si prevede l'ammorbidimento del materiale
Considerare i carichi termici e i loro effetti sulle proprietà materiali quando il comportamento dipendente dalla temperatura è coinvolto
Definizioni di contatto di implementazione con attenzione, come contatto non linearità spesso accompagna la non linearità materiale
Monitorare le forze di reazione e gli spostamenti per verificare la ragionevolezza fisica

Tutorial 1: Modellazione di Plasticità in Metalli

Comprendere la plasticità del metallo

La plasticità dei metalli rappresenta uno dei più comuni comportamenti materiali non lineari incontrati nelle applicazioni ingegneristiche. Nei materiali elastoplastici, come lo stress aumenta oltre una soglia (nota come limite di resa), il comportamento dello stress-strain diventa sempre più non lineare, e dopo lo scarico completo, rimane una tensione residua (nota come sforzo di plastica) che viene descritta come comportamento di plasticità osservato nel materiale.

Modelli di plasticità in metallo in ANSYS possono catturare vari comportamenti indurenti:

Indurimento Isotropico bilineare:[ Modello più semplice con comportamento elastico lineare fino alla resa, seguito da indurimento in plastica lineare
Indurimento Isotropico multilineare:[ Consente la definizione di curve arbitrarie di stress-strain utilizzando più punti di dati
Indurimento eccentrico:[ Modelli l'effetto Bauschinger per applicazioni di carico ciclico
Indurimento combinato: Incorpora sia l'indurimento isotropico che quello cinetico per complesse storie di carico

Per conoscere le opzioni del modello materiale per descrivere il comportamento della plasticità, vedere la plasticità nominale-indipendente nel riferimento materiale. La documentazione ANSYS fornisce informazioni dettagliate sullo sfondo teorico e sull'implementazione di ogni modello di plasticità.

Set di analisi di plasticità passo-passo

Per eseguire un'analisi di plasticità in banco da lavoro ANSYS, seguire questi passaggi completi:

Step 1: Definizione dei materiali[]

Aprire i dati di ingegneria e creare un nuovo materiale o selezionare un metallo esistente
Definire le proprietà elastiche lineari (Trappolo di Giovane e Ratio di Poisson)
Navigare alla sezione Plasticità e selezionare "Indurimento Isotropico bilineare" o "Indurimento Isotropico multilineare"
Per modello bilineare, input Forza di rendimento e Modulo Tangente
Per il modello multilineare, i punti di dati dello stress-strain di input dai risultati sperimentali di test di trazione
Verificare la curva dello stress-strain appare ragionevole

Step 2: Geometria e Mesh[]

Importare o creare la geometria del componente da analizzare
Generare una maglia con una raffinatezza adeguata nelle zone di plastica previste
Utilizzare elementi quadratici per migliorare la precisione dello stress
Verifica metriche di qualità della maglia ( rapporto di controllo, schewness, qualità ortogonale)

Step 3: Impostazioni di analisi[]

Nelle impostazioni di analisi strutturali statiche, abilitare "Large Deflection" se si prevede una non linearità geometrica
Numero di sottofasi (tipicamente 10-50 per problemi di plasticità)
Abilitare "Auto Time Stepping" con i sottotitoli minimi e massimi appropriati
Regolare i criteri di convergenza se i valori predefiniti causano problemi di convergenza

Step 4: Condizioni di alloggio e caricamento[

Applicare supporti fissi o vincoli di spostamento
Applicare carichi gradualmente (usare carico rampato)
Considerare l'utilizzo di carico controllato dallo spostamento per il comportamento post-yield

Step 5: Soluzione e post-processsing[

Inserire sonde di risultati per lo stress equivalente (von Mises), ceppo di plastica equivalente e deformazione
Risolvere l'analisi e monitorare il comportamento di convergenza
Rivedere la distribuzione di ceppi plastici per identificare le regioni rese
Verificare che valori di stress altipiano o vicino alla forza di resa nelle regioni completamente plastiche
Generare curve di spostamento della forza per comprendere la risposta strutturale globale

Interpretazione dei risultati della plasticità

La linea gialla è la curva di sforzo-strain materiale lineare e la parte elastica della curva di sforzo-strain materiale non lineare, con materiali lineari che permettono di continuare a salire senza limite, mentre con materiali non lineari, come la tensione aumenta, lo stress sale la porzione elastica fino al punto di resa, quindi segue la porzione di plastica piatta.

Quando si esaminano i risultati dell'analisi della plasticità, prestare attenzione a:

Strain plastica equivalente:[] Mostra regioni che hanno subito deformazione permanente
Von Mises Stress:[ Non dovrebbe superare significativamente la resistenza alla resa nelle regioni perfettamente plastiche
Deformazione:[] Sarà più grande delle previsioni elastiche lineari una volta che si verifica la resa
Forze di reazione:[] Può mostrare relazioni non lineari con lo spostamento applicato

Le questioni comuni nell'analisi della plasticità includono una resa prematura dovuta a concentrazioni di stress, difficoltà di convergenza quando si sviluppano grandi ceppi di plastica e definizioni materiali non realistiche.

Tutorial 2: Simulazione del materiale iperelastico

Fondamenti di iperelastica

Si dice che un materiale sia iperelastico se esiste una funzione potenziale elastica (o funzione di densità energetica di sforzo), che è una funzione scalare di uno dei tensori di deformazione o di deformazione, e l'iperelastica può essere utilizzata per analizzare i materiali di gomma-come (elastomeri) che subiscono grandi ceppi e spostamenti con piccoli cambiamenti di volume (materiali quasi incompressibili).

ANSYS offre numerosi modelli di materiali iperelastici, adatti a diversi materiali e gamme di deformazione:

Neo-Hookean:[ Modello più semplice, adatto per tensioni moderate fino al 30-40%
Mooney-Rivlin:[ Modelli a due parametri o di ordine superiore per il comportamento generale della gomma
Yeoh:[] Modello a tre parametri efficace per deformazioni non assiali e biassiali
Ogden:[ Modello flessibile che può adattarsi a dati sperimentali complessi con precisione
Arruda-Boyce:[ Modello basato sul fisico derivato dalle statistiche della catena dei polimeri
Blatz-Ko:[ Adatto per materiali in schiuma compressa

La selezione del modello iperelastico appropriato dipende dai dati di prova disponibili, dalla gamma di ceppi prevista e dalle modalità di deformazione che il materiale sperimenterà in servizio.

Caratterizzazione dei materiali iperelastici

La simulazione iperelastic accurata richiede una caratterizzazione completa del materiale attraverso modalità di test multiple. Diversi stati di deformazione attivano diversi aspetti della funzione di energia della tensione, quindi affidandosi a un singolo tipo di test può portare a previsioni inesatte sotto carico complesso.

Le configurazioni standard di test per i materiali iperelastici includono:

Tensione uniassiale: La prova più comune, allunga il campione in una direzione
Tensione biassiale:[ Applichi la tensione uguale in due direzioni perpendicolari
Tensione di colonna (Pure Shear):[] Constrains deformazione in una direzione mentre si allunga in un'altra
Compressione vocale:[ Misura il modulo di massa e la comprimabilità

ANSYS fornisce strumenti di configurazione curva che possono determinare parametri ottimali del materiale dai dati di prova sperimentali. Il software può adattarsi a più set di dati di prova contemporaneamente, assicurando che il modello materiale rappresenti esattamente il comportamento in tutte le modalità di deformazione.

Implementazione di analisi iperelastica

L'elaborazione di un'analisi iperelastica in ANSYS segue un flusso di lavoro simile all'analisi della plasticità ma con considerazioni specifiche per grandi deformazioni:

Processo di definizione materiale:[]

In Engineering Data, crea un nuovo materiale per la componente iperelastica
Navigare nella sezione Hyperelastic e selezionare il modello di materiale desiderato
Dati di test di input da caratterizzazione sperimentale o utilizzare strumenti di configurazione curva
Per il montaggio a curva, importare dati di tensione da diversi tipi di test
Verifica parametri e indicatori di stabilità montati
Verificare che le curve montate corrispondano ai dati sperimentali in tutte le modalità di test

Configurazione di analisi:

Grande deviazione deve essere abilitata per l'analisi iperelastic
Utilizzare substeps sufficienti per catturare la risposta non lineare di spostamento del carico
Considerare l'utilizzo di carico controllato dallo spostamento per una migliore convergenza
Attivare la ricerca di linea se si presentano difficoltà di convergenza
Utilizzare le formulazioni degli elementi appropriati (evitare elementi completamente integrati per materiali quasi incompressi)

La teoria di grandi strati è necessaria (NLGEOM,ON) per tutte le analisi iperelastiche. La non linearità geometrica derivante da grandi deformazioni è inerente al comportamento materiale iperelastico e non può essere trascurata.

Tecniche di modellazione iperelastica avanzata

Per applicazioni iperelastiche complesse, diverse tecniche avanzate possono migliorare l'accuratezza e la convergenza:

Effetto mulini:[] Alcuni elastomeri mostrano un'ammorbidimento dello stress durante il primo ciclo di carico, noto come effetto Mullins.

Effetti viscoelastici:[] I veri elastomeri mostrano spesso comportamenti dipendente dal tempo oltre all'iperelastica. ANSYS permette la combinazione di modelli iperelastici e viscoelastici per catturare sia la risposta istantanea di grandi strati che il rilassamento o il brivido dipendente dal tempo.

Dipendenza dalla temperatura:[[ Le proprietà in gomma variano in modo significativo con la temperatura. I parametri iperelastici dipendenti dalla temperatura possono essere definiti per tener conto delle variazioni di rigidità nell'intervallo di temperatura di esercizio.

I vincoli di incompressione:[ La maggior parte degli elastomeri sono quasi incompressi (il rapporto di Poisson si avvicina a 0.5).Le formulazioni di elementi speciali con formulazione u-P misto (slocamento-pressione) impediscono la chiusura volumetrica e garantiscono risultati accurati per i materiali incompressi.

Tutorial 3: Comportamento del rumore sotto alte temperature

Comprendere Fenomeni di Creep

Creep è dipendente dal tempo, mentre la plasticità non è così. Creep rappresenta la tendenza dei materiali a deformare permanentemente sotto carico sostenuto nel tempo, in particolare a temperature elevate. Un materiale che mostra il strisciante si deforma continuamente sotto un carico costante, distinguendolo dalla deformazione plastica istantanea.

Il comportamento del cripto tipicamente progredisce attraverso tre fasi distinte:

Creep primario:[ Fase iniziale con tasso di strisciamento decrescente come il materiale indurisce
Creep secondario:[ stadio di stato stabile con costante frequenza di strisciamento, spesso la fase più lunga
Creep terziario:[ Accelerare la velocità del viscido che porta al fallimento a causa dell'accumulo di danni

ANSYS fornisce diversi modelli di strisciamento per catturare questi comportamenti, tra cui formulazioni implicite di strisciamento per applicazioni generali e strisciamento esplicito per curve di strisciamento altamente non lineari.Per ceppo strisciante altamente non lineare vs curve di tempo, il strisciante esplicito richiede un piccolo passo di tempo, e una procedura di ottimizzazione del passo di strisciamento è disponibile per regolare il passo di tempo automaticamente come appropriato.

Modelli di materiale di cripto in ANSYS

ANSYS offre diverse leggi inquietanti che descrivono il rapporto tra tasso di ceppo strisciante, stress, temperatura e tempo:

Modelli di Creep Primari: Indurimento dello strain, tempramento del tempo e esponenziale generalizzato
Modelli secondari di cripto: Norton (legge di potenza), polinomiale esponenziale e razionale
Modelli combinati:[ Generalizzato Garofalo, tempramento del tempo modificato e tempramento del tempo generalizzato
User-Defined Creep:[ Permette l'applicazione di leggi di strisciamento personalizzate attraverso le sottorottine dell'utente

Il modello di strisciamento della legge di potere Norton è uno dei più diffusi, esprimendo la velocità di deformazione del visiera come funzione di stress e temperatura attraverso l'equazione: tasso di strisciamento = C1 × σ^C2 × exp(-C3/T), dove C1, C2, e C3 sono costanti materiali determinati dai dati di test del viscido.

Impostazione dell'analisi del rumore

L'analisi del rumore in ANSYS richiede un'attenzione attenta alle proprietà di time-stepping e di termodipendente:

Definizione materiale per il segnale acustico:[]

Definire le proprietà elastiche a temperatura dipendente (modulo di Young, rapporto di Poisson)
Selezionare un modello di striscia appropriato dalla sezione Creep in Engineering Data
costanti di input di strisciamento derivate da test di strisciamento sperimentali
Definire più punti di temperatura se il comportamento del viscido varia in modo significativo con la temperatura
Verificare le previsioni di ceppo di strisciamento contro i dati di prova noti

Considerazioni di configurazione di analisi:

Utilizzare il tipo di analisi transitorio (dipendente a tempo)
Definire un'intervallo di tempo appropriato che copre la durata del servizio o la durata del test
Impostare substeps iniziali abbastanza piccolo per catturare il strisciante primario con precisione
Abilitare il tempo automatico stepping per gestire i tassi di scorrimento variabili in modo efficiente
Applicare carichi di temperatura se l'analisi termica è accoppiata con il strisciante
Considerare la ridistribuzione dello stress come progressi inquietanti

Condizioni di carico e di boundary:[

Applicare carichi meccanici che rimangono costanti durante il periodo di strisciamento
Definire la distribuzione della temperatura (uniforme o variabile)
Considerare gli effetti di espansione termica se si verificano cambiamenti di temperatura
Applicare vincoli che permettono la deformazione del viscido per sviluppare

Interpretazione dei risultati dell'analisi del rumore

I risultati dell'analisi del rumore forniscono informazioni sul comportamento materiale a lungo termine e sull'integrità strutturale:

Creep Strain:[ Totale ceppo di strisciamento accumulato nel tempo, separato da ceppi elastici e plastici
Equivalente tasso di ceppo:[ Tasso attuale di deformazione del viscido, utile per identificare il viscido dello stato stabile
Ridistribuzione della forza:[ Le stringhe cambiano nel tempo, poiché il strisciante permette il trasferimento di carico nelle regioni più rigide
Tempo di fallimento:[] Si può stimare se i modelli di strisciamento terziari sono impiegati

Lo sforzo di strisciamento del Plot contro il tempo per verificare che l'analisi cattura le fasi di strisciamento previste. La curva dovrebbe mostrare pendenza decrescente durante il strisciamento primario, pendenza costante durante il strisciamento secondario, e aumento della pendenza se il strisciante terziario è modellato.

Applicazioni pratiche di analisi del rumore

L'analisi del cripto è essenziale per numerose applicazioni di ingegneria ad alta temperatura:

Gas Turbine Componenti:[ Lame e furgoni a temperature estreme
Generazione di potenza:[ Tubi di riscaldamento, tubi di vapore e vasi di pressione nelle centrali termiche
Reattori nucleari:[ Rivestimento del carburante e componenti strutturali sotto radiazione e temperatura sostenute
Strutture aerospaziali:[ Componenti motore e parti del telaio dell'aria esposte a temperature elevate
Elaborazione chimica:[ I vasi reattori e i sistemi di tubazione che maneggiano fluidi ad alta temperatura

Per queste applicazioni, la previsione accurata del strisciante è fondamentale per determinare gli intervalli di ispezione, predire la vita rimanente e prevenire i guasti catastrofici.

Tutorial 4: Grande analisi della deformazione

Nonlinearità geometrica e non linearità dei materiali

L'analisi di deformazione di grandi dimensioni combina la non linearità geometrica con la non linearità materiale per catturare la risposta strutturale completa quando entrambi gli effetti sono significativi. Le strutture sottili subiscono grandi rotazioni e spostamenti nonostante la legge di Hooke soddisfatta del materiale; queste sono note come non linearità geometriche. Quando i materiali espongono anche comportamenti non lineari, entrambe le fonti di non linearità devono essere considerate simultaneamente.

La non linearità geometrica deriva da diverse fonti:

Grandi spostamenti:[ La geometria deformata differisce significativamente dalla configurazione originale
Le grandi rotazioni:[ Gli orientamenti degli elementi cambiano sostanzialmente durante la deformazione
Forze di fondo:[] Caricamenti che cambiano direzione come la struttura deforma (ad esempio, carichi di pressione)
Modifiche correlate:[ Le aree di contatto e lo stato di contatto si evolvono durante la deformazione

La combinazione di materiali e non linearità geometrica è particolarmente importante per applicazioni che coinvolgono strutture a parete sottile, componenti in gomma, formatura di metalli e simulazioni biomeccaniche.

Implementazione di grande analisi di deformazione

L'analisi di deformazione richiede l'attivazione delle opzioni di risolutore appropriate e l'utilizzo di formulazioni di elementi adatti:

Configurazione di Solver:

Attivare "Grande Sfide" in Impostazioni di analisi (questo attiva NLGEOM in APDL)
Utilizzare la formulazione Lagrangiana aggiornata (default in ANSYS per la deformazione di grandi dimensioni)
Aumentare il numero di sottolinee per catturare la deformazione progressiva con precisione
Attivare la ricerca di linea per migliorare la convergenza per la non linearità grave
Considerare l'utilizzo di metodo arco-lunghezza per il comportamento snap-through o snap-back

Selezione degli elementi:[]

Utilizzare gli elementi tecnologici attuali (SOLID185, SOLID186, SHELL181, ecc.) che supportano le formulazioni di grandi varietà
Evitare elementi legacy che non possono gestire correttamente grandi deformazioni
Selezionare le formulazioni degli elementi appropriate per materiali quasi incompressi
Utilizzare elementi di integrazione ridotti con cautela e controllare per occhiali da ora

Considerazioni del modello materiale:

Modelli iperelastici richiedono intrinsecamente una grande teoria della deformazione
La plasticità può utilizzare sia le formulazioni di piccolo profilo o di grande profilo
Assicurare il modello di materiale è compatibile con la grande cinematica di deformazione
Considerare la misura di stress (Cauchy, 2 ° Piola-Kirchhoff) appropriato per l'applicazione

Strategie di convergenza per grandi problemi di deformazione

Le grandi analisi di deformazione con materiali non lineari possono presentare sfide di convergenza significative.

Caricare Ramping:[ Applicare carichi gradualmente su molti sottotipi piuttosto che improvvisamente
Controllo di spostamento:[] Utilizzare il carico controllato dallo spostamento quando le curve di spostamento del carico hanno pendii negativi
Stabilizzazione:[] Applicare smorzamento artificiale o stabilizzazione per i percorsi di equilibrio instabili
Riavviare la capacità:[] Salvare i risultati intermedi per riavviare dagli stati convergenti se si verifica la divergenza
Bisezione:[ Permettere di sottopasso automatico bisezione quando si presentano difficoltà di convergenza
Predictor:[] Regolare le opzioni predittore per migliorare l'ipotesi iniziale per ogni sottofondo

I criteri di convergenza delle forze e dei tempi sono generalmente più affidabili dei criteri di spostamento per i grandi problemi di deformazione.

Risultati di deformazione di grandi dimensioni

L'interpretazione dei risultati da un'analisi di deformazione di grandi dimensioni richiede la comprensione della configurazione di riferimento:

Forma modellata:[] Visualizza sempre i risultati sulla geometria deformata per capire la distribuzione dello stress reale
Misure di forza:[ Lo stress di cachi (vero) è tipicamente più significativo per grandi deformazioni
Misure di formazione:[ Logaritmico sforzo fornisce valori significativi per grandi deformazioni
Force-Slocazione Curve:[ Rivelare il comportamento non lineare o di ammorbidimento
L'annunziamento: Animate la storia della deformazione per comprendere il comportamento progressivo

Essere consapevoli che le concentrazioni di stress possono spostare la posizione come progressi della deformazione, e le concentrazioni di stress iniziali possono alleviare mentre le nuove si sviluppano altrove.

Tecniche di modellazione non lineare avanzate

Combinazione di modelli di materiali multipli

È inoltre possibile combinare alcuni modelli materiali per simulare vari comportamenti materiali, e per un elenco di combinazioni di modelli materiali validi e corrispondenti esempi di input, vedere Combinare modelli di materiale nel riferimento materiale.

Elastoplasticità con Creep:[ Cattura sia la resa istantanea della plastica che la deformazione del strisciante dipendente dal tempo
Hyperelasticity with Viscoelasticity:[ Modelli di materiali in gomma con risposta elastica a grande elastico e effetti a tempo dipendente
La pesticitÃ con danno:[ Simula il progressivo degrado dei materiali che porta al fallimento
L'accoppiamento termico-struttivo:[] Conti per proprietà materiali dipendente dalla temperatura e l'espansione termica

Quando si combinano modelli di materiali, assicurano la compatibilità e capiscono l'ordine di decomposizione delle ceppi. La tensione totale è generalmente decomposta in elastico, plastica, strisciante, termico e altri componenti, con ogni componente governata dalla sua rispettiva legge costitutiva.

Tasso di comportamento materiale dipendente

L'opzione di comando TB, RATE consente di introdurre l'effetto della velocità di deformazione nei modelli materiali per simulare la risposta dipendente dal tempo dei materiali, con applicazioni tipiche tra cui la formazione di metalli e sistemi microelettromeccanici (MEMS). La plasticità dipendente dalla frequenza di carico diventa importante quando i tassi di caricamento sono alti o quando i materiali presentano una sensibilità significativa della tensione.

ANSYS fornisce diverse opzioni materiali dipendente dalla velocità:

Modello Perzyna:[ Modello di sovratensione Viscoplastico per la resa dei tassi
Modello di pesco:[ Plasticità dipendente dal tasso per i metalli a vari tassi di ceppo
Modello anand:[] Modello viscoplastico unificato per saldatori e altri materiali
Modello di bollo:[ Modello viscoplastico avanzato con più componenti di retro-stress

Questi modelli sono essenziali per simulare l'impatto, crash, formatura di metallo e altri scenari di carico dinamici o ad alta velocità in cui la resistenza del materiale varia con la velocità di deformazione.

Forma Leghe di memoria

L'opzione di comportamento materiale della lega di memoria di forma (TB, SMA) descrive il comportamento superelastico della lega nitinol, che è una lega metallica flessibile che può subire deformazioni molto grandi nei cicli di carico-scarico senza deformazione permanente. Il comportamento materiale ha tre fasi distinte: una fase di austenite (elastico lineare), una fase di martensite (anche elastico lineare), e la fase di transizione tra questi due.

La modellazione della lega di memoria a forma richiede la definizione di temperature di trasformazione e parametri materiali che regolano la trasformazione di fase. Le applicazioni includono dispositivi biomedici (fissi, fili ortodontici), attuatori e strutture adattative.

Modelli materiali definiti dall'utente

Quando i modelli di materiali incorporati non possono rappresentare adeguatamente il comportamento materiale specifico, ANSYS fornisce meccanismi per l'implementazione di modelli di materiali personalizzati attraverso le funzionalità programmabili dall'utente (UPFs). La subroutine UserMat consente la definizione di relazioni arbitrarie di stress-strain, consentendo la simulazione di materiali proprietari o modelli costitutivi nuovi sviluppati attraverso la ricerca.

L'implementazione di materiali definiti dall'utente richiede:

Programmazione delle equazioni costitutive in Fortran o C++
Fornire il materiale Jacobian (matrice tangente distress-strain) per la convergenza di Newton-Raphson
Definire variabili di stato per tracciare la storia del materiale
Test e validazione approfonditi contro le soluzioni note

Migliori Pratiche per l'analisi dei materiali non lineari

Modello Semplificazione e Validazione

Semplifica il tuo modello per focalizzare le risorse computazionali sulle regioni di interesse. Utilizzare le condizioni di confine della simmetria quando applicabile, e considerare le tecniche di sub-modeling in cui l'analisi lineare globale fornisce le condizioni limite per l'analisi dettagliata non lineare delle regioni critiche.

Avviare con semplici problemi di benchmark (tensione unitaria, flessione pura, ecc.) per verificare le definizioni dei materiali e le impostazioni del risolutore.

Risoluzione dei problemi di convergenza

Le difficoltà di convergenza sono comuni nell'analisi dei materiali non lineari.

Review Material Definitions:[] Verificare che i parametri materiali siano fisicamente ragionevoli e correttamente definiti
Controllare la qualità della maglia:[ La scarsa qualità della maglia esacerba i problemi di convergenza nell'analisi non lineare
Aumentare i passi:[] Più sottotitoli consentono cambiamenti incrementali più piccoli, migliorando la convergenza
Criteri di convergenza giusti:[ Rilassare i criteri leggermente se la convergenza è quasi raggiunta ma oscillante
Abilita la ricerca della linea:[] Aiuta a trovare una soluzione ottimale all'interno di ogni iterazione
Utilizza il controllo di spostamento:[ Per ammorbidire il comportamento o i problemi di snap-through
Apply Loads Gradually:[] L'applicazione di carico improvvisa può causare divergenza
Review Boundary Conditions:[] Il modello di assicurazione è adeguatamente limitato senza sovrapposti

ANSYS fornisce informazioni dettagliate sulla convergenza che mostrano quali criteri di convergenza non sono soddisfatti, aiutando a identificare la fonte di difficoltà.

Efficienza computazionale

L'analisi non lineare del materiale può essere computazionalmente costosa. Strategie per migliorare l'efficienza includono:

Aggiunta Mesh:[] Rifinire la mesh solo se necessario in base ai gradienti della soluzione
Parallel Processing:[] Utilizzare processori multi-core e calcolo distribuito
Solver Selection:[] Scegli un correttore (diretto, iterativo, ecc.) basato sulla dimensione del problema
Riavviare la Capabilità:[] Salvare i risultati intermedi per evitare la ri-solvenza dall'inizio
Modalizzazione:[ Eseguire analisi non lineare dettagliate solo nelle regioni critiche
Modello di ordine ridotto:[ Per gli studi parametrici, prendere in considerazione le tecniche di ordine ridotto

Documentazione e Reporting

La documentazione completa dell'analisi materiale non lineare è essenziale per la riproducibilità e la verifica:

Documentare tutti i parametri materiali e le loro fonti (dati di prova, letteratura, specifiche)
Impostazioni di analisi record, criteri di convergenza e opzioni di risolutore
Includere gli studi di convergenza delle reti che dimostrano l'indipendenza della soluzione dalla densità delle reti
Fornire la validazione contro i dati sperimentali o soluzioni di benchmark
Discutere ipotesi e limitazioni dell'analisi
Risultati attuali con contesto e interpretazione appropriati

Applicazioni e studi di casi

Applicazioni dell'industria automobilistica

L'industria automobilistica utilizza ampiamente l'analisi dei materiali non lineari per la resistenza agli urti, la formazione di metalli e la durata dei componenti. Le simulazioni di merluzzo richiedono modelli di plasticità dipendente dai tassi per catturare il comportamento dei materiali durante gli impatti ad alta velocità.

I componenti in gomma, inclusi i sigilli, i boccole e i pneumatici, richiedono modelli di materiali iperelastici. La simulazione accurata di questi componenti sotto carichi di servizio consente di ottimizzare i progetti per la durata, le prestazioni di rumore-vibrazione-rumore (NVH) e il comfort.

Applicazioni aerospaziale

Le strutture aerospaziali operano in condizioni estreme che richiedono una modellazione sofisticata del materiale. I componenti del motore della turbina sperimentano alte temperature in cui il strisciante diventa il fattore di limitazione della vita.

I materiali compositi utilizzati ampiamente negli aeromobili moderni richiedono modelli di materiali specializzati che catturano l'interazione della fibra-matrix, danni progressivi e guasti.

Ingegneria biomedica

Le applicazioni biomedicali comportano materiali unici e condizioni di carico. I tessuti molli presentano un comportamento iperelastico con un'anisotropia complessa e viscoelastica. Le simulazioni di distribuzione stabili richiedono una modellazione accurata della superelasticità della lega di memoria della forma combinata con il contatto tra stent e parete del vaso.

Il design dell'impianto beneficia di analisi materiali non lineari per prevedere la rimodellazione ossea, lo scudo dello stress e le prestazioni a lungo termine sotto carico fisiologico.

Ingegneria civile e strutturale

Le strutture ingegneristiche civili richiedono analisi materiali non lineari per la valutazione della capacità di carico finale, la valutazione delle prestazioni sismiche e l'analisi progressiva del collasso.

Le strutture in acciaio che subiscono deformazione plastica durante eventi estremi (guarni, colpi) richiedono modelli di plasticità accurati con leggi di indurimento appropriate e criteri di guasto.

Tendenze future nella modellazione dei materiali non lineari

Integrazione di apprendimento della macchina

Le tendenze emergenti includono l'integrazione delle tecniche di apprendimento automatico con l'analisi degli elementi finiti tradizionali. Le reti neurali possono imparare il comportamento materiale complesso dai dati sperimentali, fornendo modelli costitutivi più accurati rispetto agli approcci fenomenologici tradizionali.

Modelli su multiscala

La modellazione dei materiali multiscala collega il comportamento a diverse scale di lunghezza, dalle simulazioni atomiste che informano i modelli continuum alle previsioni basate sulla microstruttura delle proprietà macroscopiche.

Materiali di fabbricazione additivi

La produzione additiva produce materiali con microstrutture uniche e proprietà anisotropiche che richiedono modelli di materiali specializzati.Le sollecitazioni residenziali dal processo di costruzione, le proprietà direzionali e la porosità influiscono sul comportamento dei materiali.

Risorse di apprendimento e sviluppo ulteriore

Risorse di apprendimento ANSYS

ANSYS offre corsi gratuiti sulla plasticità dei metalli e altri corsi consigliati, tra cui lo stress deviatorico, il materiale lineare, iniziando con meccanica meccanica e solida.

La documentazione ufficiale ANSYS, inclusa la Guida all'analisi strutturale, il Riferimento materiale e il riferimento Teorico, forniscono informazioni complete sui modelli materiali, sui dettagli di implementazione e sullo sfondo teorico, essenziali per comprendere le capacità e i limiti dei diversi modelli materiali.

Opportunità di apprendimento esterne

I corsi universitari in meccanica continuum, teoria della plasticità e meccanica computazionale forniscono fondazioni teoriche. Le organizzazioni professionali come NAFEMS offrono corsi di formazione e programmi di certificazione in analisi degli elementi finiti, tra cui la modellazione non lineare dei materiali.

Le conferenze e i workshop tecnici offrono l'opportunità di conoscere gli ultimi sviluppi e le migliori pratiche degli esperti del settore.Le pubblicazioni su riviste come la rivista internazionale di plasticità, i metodi informatici in meccanica applicata e ingegneria, e gli elementi finiti in analisi e progettazione presentano una ricerca all'avanguardia nella modellazione dei materiali.

Per coloro che cercano di approfondire la loro comprensione dei metodi di elementi finiti e della modellazione dei materiali, risorse come la [ [COMSOL Nonlinear Structural Materials Module documentazione[ e ]]]Le guide di SimScale sulla modellazione dell'inelasticità[]] forniscono preziose prospettive complementari sugli approcci di simulazione dei materiali non lineari.

Conclusioni

La mastering di analisi dei comportamenti materiali non lineari in ANSYS apre la porta alla soluzione di problemi di ingegneria complessi che non possono essere affrontati solo attraverso l'analisi lineare.Dal punto di predire la deformazione plastica nelle strutture metalliche per simulare il comportamento di grandi strati degli elastomeri e valutare lo scorrimento a lungo termine in componenti ad alta temperatura, queste funzionalità sono essenziali per la progettazione e l'analisi di ingegneria moderna.

Il successo nell'analisi dei materiali non lineari richiede una combinazione di comprensione teorica, esperienza pratica e approccio sistematico allo sviluppo e alla validazione del modello.

Man mano che la scienza dei materiali avanza e le capacità computazionali continuano a crescere, la modellazione dei materiali non lineari diventerà sempre più sofisticata e accessibile. Rimanendo in corrente con nuovi sviluppi, convalidando continuamente modelli contro i dati sperimentali, e mantenendo pratiche di documentazione rigorose, garantirà che i risultati della simulazione forniscono una guida affidabile per le decisioni di ingegneria.

Sia che si stia analizzando la capacità di carico massima delle strutture, ottimizzando i processi di formazione dei metalli, progettando componenti in gomma, o valutando il strisciante ad alta temperatura, ANSYS fornisce gli strumenti necessari per una simulazione accurata dei materiali non lineari. L'investimento nell'apprendimento di queste capacità paga dividendi attraverso progetti migliorati, test fisici ridotti e una comprensione più profonda del comportamento materiale in condizioni reali.

Tutorial di Ansys per l'analisi dei comportamenti materiali non lineari

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