基于Abaqus的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真研究

基于Abaqus的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真研究,基于,abaqus,材料力學(xué),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),仿真,研究,鉆研 摘 要 隨著大學(xué)高等教育體系的不斷改革與創(chuàng)新，傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)很大程度 上無(wú)法滿足當(dāng)代工科院校的學(xué)習(xí)指標(biāo)。材料力學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 分析和理論性研究的正確結(jié)合是必要的。可是當(dāng)前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系中，由于大部 分學(xué)校受到實(shí)驗(yàn)操作困難設(shè)備昂貴，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)為破壞性的實(shí)驗(yàn)需消耗大量的試件且不 能重復(fù)性使用與進(jìn)行，普遍存在著僅僅對(duì)理論部分進(jìn)行教學(xué)。而當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)已 經(jīng)成熟，數(shù)值仿真技術(shù)也獲得了前所未有的突破。尤其是有限元分析軟件Abaqus能高 效的解決材料力學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所面臨的難題。 ―、對(duì)低碳鋼軸向拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬。在程序建立模型并進(jìn)行處理，仿真計(jì)算及 其求解。生成并演示低碳鋼拉伸至拉斷的視頻。通過(guò)Visualization模塊觀察幾下整個(gè)拉 伸過(guò)程的這四個(gè)階段與其不同的現(xiàn)象來(lái)繪制低碳鋼試件的拉伸圖，主要測(cè)定低碳鋼試件 的屈服極限，強(qiáng)度極限，延展率以及緞面收縮率。最后由各個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和拉伸曲線得出實(shí) 驗(yàn)結(jié)論。 二、 對(duì)彈性模量與泊松比的測(cè)定的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬。建立模型后在后處理中，視頻 通過(guò)演示載荷加載的全部過(guò)程并比例極限內(nèi)測(cè)定低碳鋼的彈性模量E和泊松比//。最后 通過(guò)XY圖功能，場(chǎng)變量輸出即彈性模量泊松比來(lái)測(cè)定胡克定律并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 三、 對(duì)粱的彎曲正應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真模擬。在仿真模擬中，通過(guò)所指定的參 數(shù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩?lái)進(jìn)行操作。在后處理結(jié)果動(dòng)畫(huà)中，展現(xiàn)了整個(gè)粱的彎曲的模擬仿真過(guò)程, 把得到的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對(duì)矩形梁截面正應(yīng)力分布及大小進(jìn)行計(jì)算，與理論計(jì)算得 到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 關(guān)鍵字：仿真模擬;材料力學(xué) Abstract With the continuous raform and innovation of education ssstem in univeraity, traditional materinl mechanics experimenh couraes have noh been able to meeh the learaing indexes oO modera engineering colleges. Materiel mechanics is an extremely practical subject, and O is necessary to combine experimentel date analysis and theoretical research correctly. In current materinl mechanics experiment courae system, however, because most oO the schoole experimental operaticn difficult, expensive equipment (most oO tie experimente for destractive experiment, need i consume large amounte of specimen, cannot be) repetitive use and etc., wiCely exist only i teaching the theory part. Nowadays, tie computer software technology is mature, the numerical simulaticn technology has also achicved unprecedented breakthreugh. In particulay the finite element analysis software Abaqus can effectively solve the preblems foced by traditicnal experimente ot materinl mechanncs, 1. Simulaticn ot axinl tensile test ot lew carbon steel. The model is established and precessed, and the simulaticn is calculated and solved. Generate and demonstrate the lew carbon steel stretching h a breken viCeo. Threugh the Visualizaticn module h observe a tow times the four steges ot the whole precess ot stretching and Ch difforent phenomenon h map mild steel specimen tensile, determisaticn oo main yield limit for lew carbon steel specimens, ultimate strength, extensicn rate and satin shrinkage rate. Finally, the experimental date and tensile curves were obthined. 2. the experiment of the measurement oo elestic modulus and poinson rati。is simulated. After the model was established, viCeo was used h determine the elestic modulus E and poinson ratic of iw carbon steel by demonstrating the whole precess of lead leading. Finally, threugh the functicn of XY graph, the output of field variables is elastic modules poinson's ratic h measure hooke's law and get the experimenthl results. 3. he simulaticn oO the bending stress oO he beam is simulated. In the simulaticn, he parametera and experimenthl purposes are used h perform the operaticn. In post-processing resuds animaticn shows the simulaticn process of the bending oO he beam, he output date obthined by the analysis and calculaticn and normal stress distriCuticn oO rectangular beam secticn size, compared wCh eheoeeencaecaecueaenoneesuees, Keywords: simulaticn; Abaqus; Mechanics oO materisla II 摘 要 I Abstract II 1緒論 1 1.1選題的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 1 1.2目前的概況和發(fā)展趨勢(shì) 1 11本文主要內(nèi)容 2 2 有限元 Abaqus及相關(guān)基礎(chǔ)理論 4 22有限單元法介紹及其原理 4 22 有限元軟件的 Abaqus簡(jiǎn)介 6 22基于Abaqus有限元法的仿真分析 6 3低碳鋼軸的拉伸有限元仿真模擬實(shí)驗(yàn) 8 32理論意義和應(yīng)用價(jià)值 8 32低碳鋼軸拉伸的理論分析 8 32低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)M 1 32低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)曲線圖 14 32低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 15 32低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)視頻 16 4彈性模量與泊松比的測(cè)定有限元仿真模擬實(shí)驗(yàn) 18 42理論意義及應(yīng)用價(jià)值 18 42彈性模量與泊松比的測(cè)定理論分析 18 42彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真模擬 19 42彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)曲線圖 24 42彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)論 25 42彈性模量與泊松比的測(cè)定仿真模擬視頻 26 5梁的純彎曲正應(yīng)力有限元仿真模擬實(shí)驗(yàn) 2 52理論意義及應(yīng)用價(jià)值 2 52梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的理論分析 2 52梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的仿真模擬 28 52梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)曲線圖 33 52梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)論 34 52梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)視頻 35 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 38 附錄A外文資料譯文 40 附錄B外文資料原文 46 致 謝 52 基于ABAQUS的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究 1緒論 1.1選題的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 為了研究探索材料在各種不同的外力因素下所產(chǎn)生的應(yīng)變，應(yīng)力穩(wěn)定性以及剛度等 引起的材料破壞極限是否能保證結(jié)構(gòu)能承受預(yù)定載荷［11,所以在大學(xué)中設(shè)立了材料力學(xué) 這門(mén)科目，也是理工科學(xué)生的必修課之一。所以材料力學(xué)不僅僅需要強(qiáng)調(diào)其實(shí)踐與操作 的重要性，更需要注意理論部分與實(shí)驗(yàn)分析的相結(jié)合。目前普遍高校存在著材料力學(xué)實(shí) 踐與理論教學(xué)的嚴(yán)重脫離的現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響了材料力學(xué)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量，甚至有一部 分學(xué)校因?yàn)閷W(xué)時(shí)壓縮與實(shí)驗(yàn)條件等因素的約束，將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容進(jìn)行大幅度 刪減。即使進(jìn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，一般是一組大學(xué)生七八人一起使用一份器材、一個(gè)低碳 鋼試件進(jìn)行材料力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程拉伸，測(cè)定彈性模量等。這導(dǎo)致了多數(shù)大學(xué)生對(duì)材料 力學(xué)實(shí)驗(yàn)的參與度和積極性較低,也無(wú)法充分理解材料力學(xué)這門(mén)課口。又因?yàn)椴牧狭W(xué)大 多數(shù)的實(shí)驗(yàn)皆為破壞性試驗(yàn)且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，在這過(guò)程中有需要耗費(fèi)大量的桿件，而 且所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴因此不便于重復(fù)進(jìn)行。另外，還有一部分力學(xué)過(guò)程例如集 中現(xiàn)象、壓桿失穩(wěn)、桿件組合變形無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室演示。 隨著當(dāng)今學(xué)術(shù)的發(fā)展，普通的線性變換已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的要求，許 多工程上的材料疲勞斷裂或失效等問(wèn)題無(wú)法以此解決。因此，為了解決這些問(wèn)題，必須對(duì) 材料的載荷利用非線性分析求解的方法。像是對(duì)塑料、橡膠等塑性形變的材料進(jìn)行分析 則只需要考慮這些材料的塑性。 1.2目前的概況和發(fā)展趨勢(shì) ABAQUS當(dāng)今可以在材料力學(xué)學(xué)習(xí)中將抽象的理論知識(shí)用可視化模塊表示出來(lái)，如 應(yīng)力、應(yīng)變、變形、位移、應(yīng)力狀態(tài)等I%與此同時(shí)，在像如梁的彎曲正應(yīng)力及組合變形等 大多數(shù)章節(jié)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，在這些理論課程中會(huì)接觸到大量的推導(dǎo)相關(guān)的公式，可能要 求解復(fù)雜的幾何和數(shù)學(xué)知識(shí)，其中包括了許多幾何要素以及空間位置關(guān)系，例如彎曲梁 橫截面的應(yīng)力分布規(guī)律、矩形彎曲梁的變形、圓軸的彎扭組合變形時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律等舊。 對(duì)于這部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容，較為傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法純粹通過(guò)老師們的口頭講解和板書(shū)繪圖， 導(dǎo)致學(xué)生浪費(fèi)時(shí)間而且不容易理解，同學(xué)會(huì)覺(jué)得材料力學(xué)理論課程很難理解且枯燥。由 此，我們通過(guò)借助具有直觀形象的圖形顯示功能把較為抽象的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 化為形象生動(dòng)的圖形有的限元仿真ABAQUS軟件展現(xiàn)在同學(xué)面前。將抽象的材料力學(xué)理 論知識(shí)和難以理解的概念形象化，通過(guò)應(yīng)力云、仿真動(dòng)畫(huà)的方法供學(xué)生來(lái)學(xué)習(xí)，可以提高 學(xué)生的思維能力，更加充分理解教材內(nèi)容，活用現(xiàn)在發(fā)展迅速的有限元軟件來(lái)提高分析 結(jié)構(gòu)的能力性 張廣泰對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新，使得材料力學(xué)拉伸試驗(yàn)進(jìn)入先進(jìn)前列卩。和原本人 們使用的液壓萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)相比，其新具備了電子測(cè)定和微數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果 處理自動(dòng)化等功能；具備高精度測(cè)量指標(biāo)，例如低碳鋼試件屈服極限，緞面收縮率等數(shù)據(jù) 指標(biāo)。因?yàn)榘◤椥宰冃我话阆鄬?duì)誤差為8%，在除去彈性變形后的誤差縮小，使誤差精 度在2%以內(nèi)。通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、微機(jī)處理系統(tǒng)等數(shù)學(xué)瀏量手段，對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式液 壓材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造。通過(guò)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，張廣泰創(chuàng)新的試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)達(dá)到了電子 實(shí)驗(yàn)機(jī)的性能以及精確度。而且原本的擺測(cè)力使用刻盤(pán)顯示，繪制曲線在圓筒上，使用方 法過(guò)于老舊。所以張廣泰等人不僅僅提出了問(wèn)題并就這些問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)措施：使用微 機(jī)控制的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來(lái)提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度和工作可靠性和性能⑻。 付昌云，孫僮等人研究的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)不僅可以進(jìn)行拉力，扭轉(zhuǎn)，沖擊實(shí)驗(yàn)，也達(dá)到了 的社會(huì)大多數(shù)人對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)以拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)的需要回。目前，大多數(shù)人無(wú)法滿足于已有 的低碳鋼和鑄鐵的軸向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)，他們解決了該問(wèn)題并不斷將新材料運(yùn)用于實(shí) 際工程。該機(jī)器可以確定極限載荷和彎曲部件的材質(zhì)和尺寸從而確定彎曲部件。鋼板的 拉伸、彎曲和彎曲實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)UG設(shè)計(jì)從而得到試樣的極限載荷n°。。在裝配相對(duì)的應(yīng) 力、應(yīng)變計(jì)后，可獲得彈性模量和泊松比，且可以通過(guò)彎曲應(yīng)力公式求出彎曲和扭轉(zhuǎn)部分 的應(yīng)力。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成材料彈性模量和泊松比測(cè)量之后，在純彎曲測(cè)量下測(cè)彎曲力和彎 曲和在彎曲和彎曲變形的情況下的應(yīng)變測(cè)量功能。 賈翠玲，陳芙蓉等人進(jìn)一步探討材料力學(xué)性能在超聲沖擊處理過(guò)后的應(yīng)力應(yīng)變的變 化時(shí)。通過(guò)Abaqus仿真分析，建立了不同的力學(xué)性能參數(shù)的超聲沖擊模型，以便探討靜 態(tài)屈服強(qiáng)度，彈性模量以及泊松比在超聲沖擊之后材料的應(yīng)力-應(yīng)變影響“2。這對(duì)超聲沖 擊處理在不相同的材料的力學(xué)性能時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變的變化程度進(jìn)行了更深一步的探討，且 結(jié)果表明，這些性能指標(biāo)確實(shí)會(huì)隨超聲波沖擊處理的改變而受影響：在沖擊處x方向上, 不同材料的泊松比，彈性模量和靜態(tài)的屈服強(qiáng)度增大，應(yīng)力增大；與之不同的是，等效塑 形應(yīng)變會(huì)與彈性模量和屈服強(qiáng)度成反比，與泊松比成正比，而且泊松比對(duì)等效應(yīng)變的影 響程度會(huì)比x方向的影響更大。 1.本文主要內(nèi)容 實(shí)現(xiàn)大學(xué)生的三個(gè)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，其中包含了低碳鋼試件的拉伸、彈性模量與 泊松比的測(cè)定以及梁的純彎曲正應(yīng)力分布的測(cè)定實(shí)驗(yàn),來(lái)為材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程添磚加瓦, 使學(xué)生能夠充分理解力學(xué)原理。 利用有限元仿真模擬軟件Abaqus的計(jì)算和解析仿真優(yōu)勢(shì)，將學(xué)生的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) 與數(shù)值仿真技術(shù)相容；利用Abaqus強(qiáng)大的建模功能和應(yīng)力云圖，動(dòng)態(tài)演示分析力學(xué)過(guò) 程和變化過(guò)程，再通過(guò)Abaqus中的JOB以及可視化模塊，可提供動(dòng)畫(huà)的形式用動(dòng)態(tài)顯 示部件或者是裝配件從靜止時(shí)直至變形直，包括最后破壞的全部流程，等同于將材料力 學(xué)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)室生動(dòng)形象地在計(jì)算機(jī)軟件上可重復(fù)性地、具體分段地以及數(shù)據(jù)化地進(jìn)行 基于ABAQUS的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究 現(xiàn)場(chǎng)演示。在多次重復(fù)的過(guò)程中對(duì)一些比較復(fù)雜理論上比較抽象難懂的現(xiàn)象進(jìn)行深入的 探索、研究，從而啟發(fā)創(chuàng)新性思維。 基于ABAQUS的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究 2有限元Abaqus及相關(guān)基礎(chǔ)理論 2.1有限單元法介紹及其原理 低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)，彈性模量和泊松比以及和粱的彎曲正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)在理工 科大學(xué)生接觸到材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)必須了解并參與的實(shí)驗(yàn)，因此基于有限元軟件Abaqus的 材料力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的研究有著很深遠(yuǎn)的意義。在當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)有限元可以仿真 的軟件非常多，使用比較普遍的軟件包括ANSYS、ADINA、ABAQUS. MSC這樣的四個(gè) 較為知名的公司[向。這些軟件能夠?qū)Χ鄶?shù)情況進(jìn)行分析模擬與仿真，并且擁有較高的效 率和準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，因此在工程研究的領(lǐng)域內(nèi)使用較為廣泛。這些軟件的核心在 于有限元基本理論，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完善和發(fā)展。 有限元的計(jì)算分析擁有著高效、常用且易于分析的優(yōu)點(diǎn)。有限元法的核心，也是基礎(chǔ) 為變分原理，之后在此基礎(chǔ)上繼續(xù)完善和發(fā)展，因此它在各種物理場(chǎng)中運(yùn)用的十分廣泛， 其中最為常見(jiàn)的即為調(diào)和方程和泊松方程[可。此原理的核心思想為:通過(guò)泊松方程化來(lái)求 解極值的問(wèn)題。 1943年,有限元仿真分析法逐漸開(kāi)始成形，是定義在三角區(qū)域內(nèi)分片連續(xù)函數(shù)，利用 最小位能原理求解了 St.Venant的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題"4。在解決了這個(gè)問(wèn)題之后，Tuiner、Clugh 等人利用這種方法的思想，轉(zhuǎn)移到了其他問(wèn)題的解決上。很快此方法通過(guò)它自身的優(yōu)越 性從而發(fā)展到了彈性靜力學(xué)的研究領(lǐng)域，由此，其理論發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)擁有了更大的突破 [15] 。 有限元法的基本核心思想就是將整體連續(xù)的結(jié)構(gòu)）進(jìn)行離散化單元化的數(shù)據(jù)計(jì)算 分析法，也就是在力學(xué)的仿真上取近似值或是估算大概的數(shù)值。這些單元通過(guò)它的自由度 的節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行連接，并且原來(lái)的連續(xù)體即連續(xù)結(jié)構(gòu)假定成成有限個(gè)單元體分割而成的一 個(gè)離散結(jié)構(gòu)，將原本的一個(gè)連續(xù)部件的無(wú)限個(gè)自由度的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散結(jié)構(gòu)的有限個(gè)自 由度的問(wèn)題明。所以通過(guò)有限元法的核心分析，最后需要解一系列的線性代數(shù)方程組。 不難看出，解決此問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行關(guān)于表達(dá)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的矩陣的編輯，以此 解決較為復(fù)雜的計(jì)算。計(jì)算機(jī)在當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)下可以完成大數(shù)據(jù)的分析，與此同時(shí)， 有限元法的發(fā)展也十分迅速，其分析的對(duì)象也擴(kuò)展到塑性,粘彈性，復(fù)合材料等問(wèn)題冋,在 眾多的工程領(lǐng)域內(nèi)都十分重視其應(yīng)用。它逐漸變?yōu)榱水?dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)的一種重要的分析工 具。 有限元法過(guò)程主要包括結(jié)構(gòu)的離散化、單元化、單元分析、結(jié)構(gòu)的總體分析和材料所 受應(yīng)力的計(jì)算這幾個(gè)重要的步驟。其中單元分析的主要原因是為了建立單元位移，然后再 運(yùn)用單元?jiǎng)偠汝噥?lái)建立分析節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系。而結(jié)構(gòu)總體分析的目的是將已經(jīng) 離散化的各單元或是結(jié)構(gòu)再重新總裝起來(lái)，利用已知的邊界條件方便進(jìn)行求解。所以在求 解出位移之后，就可以計(jì)算剩余的值例如應(yīng)變。和應(yīng)力。等，從而完成有限元的分析，其分 析流程如圖2.1。 結(jié)構(gòu)髙散化 一A 單元分析 一A .整體分析 一A 邊界條件少入 結(jié)束 〈一 計(jì)算 — 方程求解 圖2.1有限元分析方法流程圖 模擬計(jì)算在正常情況下是作為后臺(tái)進(jìn)程處理的。計(jì)算主要采用的方法是有限元法。 有限元法的分析的最主要的幾個(gè)步驟分別為為結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析和應(yīng)力 計(jì)算等。在其中單元分析是為了是計(jì)算建立單元位移,從而通過(guò)單元體的剛度陣來(lái)得出節(jié) 點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系由此來(lái)進(jìn)行分析。而整體分析是為了將被離散化的各結(jié)構(gòu)重新組 建起來(lái)并且對(duì)邊界條件進(jìn)行引入以此求解。解出位移之后，應(yīng)變和應(yīng)力等物理量也就可 以通過(guò)計(jì)算得出,從而能夠完成有限元的分析明。 ―、結(jié)構(gòu)的離散化 首先分析被研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)以及其特點(diǎn)，之后可以初步確定單元的類(lèi)型，再對(duì)幾何模 型進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，劃分時(shí)盡量使有限元模型與實(shí)際相近，通過(guò)這樣一個(gè)離散結(jié)構(gòu)代 替原有結(jié)構(gòu)叫，由此可見(jiàn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)變成了只在節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的離散體單元。 二、 單元分析 在結(jié)構(gòu)離散化之后，作為自由度的一般是節(jié)點(diǎn)的位移。并且，在每個(gè)單元內(nèi)任意一點(diǎn)的 位移都可以用節(jié)點(diǎn)上的位移來(lái)進(jìn)行表示，我們可以選擇試探函數(shù)當(dāng)作單元的位移模式，由 此可以表示出單元內(nèi)相近的位移場(chǎng)［2°，。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)插值法來(lái)確定單元的位移模 式，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是利用節(jié)點(diǎn)位移值通過(guò)一種插值，以此可以得到位移場(chǎng)的分布。在 ABAQUS/Sandard中,實(shí)體單元有二維線性單元、三維線性單元以及二次單元這幾種，這 幾種單元可以使用完全積分或縮減積分這兩種積分進(jìn)行分析。 三、 整體分析 在有限元結(jié)構(gòu)將此前已經(jīng)分析的單元位移根據(jù)它們的節(jié)點(diǎn)依次排列后，就可以得到 整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移。然后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣將單元分析的節(jié)點(diǎn)載荷、節(jié)點(diǎn)力、節(jié) 點(diǎn)位移和單元?jiǎng)偠染仃?，相?yīng)的化到整體的坐標(biāo)上［21,o對(duì)結(jié)構(gòu)體所受的力、面所受的力 等相應(yīng)的等效載荷進(jìn)行單元求和后，單元體之間的載荷便可以相互抵消，最后僅留下整體 結(jié)構(gòu)的邊界部分所承受的載荷。 四、 邊界條件的引入與方程的求解 在引入正確的邊界條件之后，有限元的線性方程組才能具有正確唯一的一組解，此方 程組能夠利用數(shù)值的方法來(lái)解。此方程組的解法有兩種，分別為直接解法和迭代法這兩 種。前者如Gause消元法或它的某種變化形式，根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)或單元編號(hào)的順序向前依次 對(duì)方程進(jìn)行消元,然后再將與之前相反的順序回代至方程組，依次類(lèi)推，解得所有的變量。 而后者是一種。利用已知的舊值遞推未知的新值的過(guò)程。通過(guò)對(duì)兩者的對(duì)比可以看出， 迭代法解得較慢，但是由于其求出的解為近似解，對(duì)非線性變化時(shí)利用這種方法是一個(gè)不 錯(cuò)的選擇。 五、Abaqus仿真計(jì)算結(jié)果的顯示 在完成了之前所有的模擬計(jì)算并且得到了位移、應(yīng)力或其它基本變量之后，便能分析 計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。可視化模塊有多種方法顯示結(jié)果，可用彩色等值線圖，變形形狀 圖和x-平面曲線圖來(lái)表示。這些直觀的分析圖可以得出這三個(gè)仿真模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)論， 并且也能夠更好地對(duì)其進(jìn)行分析和理解。 2.2有限元軟件的Abaqus簡(jiǎn)介 Abaqus是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的、基于有限元仿真分析模擬工程的一個(gè)軟件。它不僅 僅可以解決平常生活中較為簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題，甚至可以分析極具挑戰(zhàn)性的那些復(fù)雜的非 線性問(wèn)題o Abaqus可以通過(guò)建模模擬仿真任何形狀的實(shí)體，因?yàn)槠渚哂蟹浅ＸS富的單元 庫(kù)，與此同時(shí)也擁有十分豐富的材料模型庫(kù)。材料模型庫(kù)包括了很多工程上那些典型的 工程材料:金屬、聚合物、巖石土壤和鋼筋混泥土等材料［22。作為一個(gè)仿真分析模擬軟件, 它為使用者提供了非常全面的功能，使用起來(lái)有十分便捷，即使是非常復(fù)雜的問(wèn)題也可 以輕松建模。例如多個(gè)不同材料的部件，只要對(duì)每一個(gè)部件分別定義合適的材料模型和 幾何形狀再進(jìn)行組裝即可解決，對(duì)于控制問(wèn)題的數(shù)值求解，使用者幾乎不用定義任何參 數(shù)。 在最近以及將來(lái)，有限元模型可能會(huì)被作為“虛擬”的原型樣品，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來(lái)檢驗(yàn) 設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度以及性能等諸多方面?？墒窃诤芏嘈枰厥夥治龅念I(lǐng)域，有限元軟件 Abaqus的使用者必還必須了解有限元分析的原理并運(yùn)用有限元模型的適用條件和所被 限制的情況。所以若使用Abaqus時(shí)對(duì)軟件基本內(nèi)容不是非常了解，會(huì)面對(duì)很多疑惑和 分析風(fēng)險(xiǎn)。另外，在使用Abaqus時(shí)還必須知道如何將實(shí)際工程或試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化 為軟件中的材料數(shù)據(jù)例如應(yīng)力應(yīng)變、彈性模量和邊界條件等參數(shù)，這直接影響著模擬分 析是否能夠順利2。。所以，作為一名應(yīng)屆畢業(yè)生，我們必須清楚的分析產(chǎn)生誤差的原因, 以及如何檢測(cè)這些誤差的來(lái)源，并通過(guò)不同的算法和定義設(shè)置減少誤差對(duì)仿真分析的影 響。 2.2基于Abaqus有限元法的仿真分析 將計(jì)算機(jī)軟件與傳統(tǒng)課程相結(jié)合，已經(jīng)成為大多數(shù)高校通常會(huì)選擇的手段。在材料 力學(xué)的學(xué)習(xí)當(dāng)中，有很多較為抽象的概念且較難理解，像是應(yīng)力，位移，彈性模量，泊松 比等，初次學(xué)習(xí)這些的大學(xué)生一般很難理解透徹，同時(shí)，在一些平面彎曲應(yīng)力加上組合變 形和能量法等部分的學(xué)習(xí)理解過(guò)程中，會(huì)接觸到大量的相關(guān)理論理論推導(dǎo)公式，其中涉 及了很大一部分的較難數(shù)學(xué)知識(shí)和幾何學(xué)。對(duì)于這些內(nèi)容包括理論教學(xué)及繪圖與圖片傳 統(tǒng)板書(shū)很難在大學(xué)規(guī)定的課程時(shí)間內(nèi)完成。緊張而又抽象的課程不僅僅導(dǎo)致普遍學(xué)生對(duì) 材料力學(xué)課程感到難懂枯燥，而且浪費(fèi)了大量不必要的時(shí)間。所以有限元分析軟件 Abaqus能高效的解決材料力學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所面臨的難題,其優(yōu)秀的的分析能力，求解能力 和模擬復(fù)雜非線性系統(tǒng)的可靠性，使得Abaqus被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)和研發(fā)設(shè)計(jì)的力 學(xué)分析中，在高科技產(chǎn)品研發(fā)發(fā)展上發(fā)揮著巨大的作用。 一、 建立模型。在Part模塊中可以組件單個(gè)零件，也可以直接在Abaqus/CAE的環(huán) 境下生組件零件的幾何模型，還可以從其它軟件導(dǎo)入所需的部件并進(jìn)行有限元分析Si。 開(kāi)始計(jì)算前，需要對(duì)計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)抽象與簡(jiǎn)化，建立實(shí)體模型。 二、 材料屬性的設(shè)置。Property模塊中，關(guān)于截面的分類(lèi)包含了部件的特性和部件的 區(qū)域類(lèi)信息，通過(guò)區(qū)域的相關(guān)材料的定義和截面的材料定義可以更精準(zhǔn)的模擬用戶所需 要仿真的部件。也可以生成材料、截面的定義并給予于部件，材料屬性參數(shù)關(guān)系材料本構(gòu), 尤其是在低碳鋼軸向拉伸仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)材料非線性參數(shù)的定義； 三、 裝配模塊的設(shè)置。在Assembl模塊中，所生成的部件都有自己的坐標(biāo)系并且獨(dú) 立于模型中任何其他的部件，可以對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行裝配組合。若對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行分析， 保證所有的參數(shù)以及默認(rèn)值，完成裝配件的定義；若對(duì)多個(gè)零件進(jìn)行定位，可在整體坐標(biāo) 里把各個(gè)零件的副本進(jìn)行互相定位，然后可以得到一個(gè)裝配體。 四、 定義分析步。在模擬仿真計(jì)算中分析步的加載可以只有一個(gè)步驟或者是包含很 多個(gè)步驟，因而我們需要去精準(zhǔn)的定義分析步從而完整正確的得到所需結(jié)果四。每個(gè)分 析步也可以對(duì)應(yīng)不一樣的載荷，邊界條件和分析過(guò)程。 五、 相互作用。進(jìn)入interoction模塊中，我們可以設(shè)定部件在各個(gè)不同地方中之間 的像是兩個(gè)表面之間的接觸定義或者是點(diǎn)在面上的耦合關(guān)系等，即力學(xué)或者是熱學(xué)的相 互作用。 六、 定義邊界條件和施加載荷。在這個(gè)模塊中，主要需要定義施加的邊界條件和載荷 加載，由此對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行約束，而且載荷與邊界條件和分析步都相關(guān)，意味著我們必須 指定邊界條件所在的分析步，隨之施加工程或者研究中所需要受力分析的情況并施加與 之相對(duì)應(yīng)的載荷。 七、 網(wǎng)格劃分。通過(guò)我們所建立的幾何模型的特征，比較規(guī)則的部分可以采用映射或 者是掃描的方式來(lái)劃分，從而來(lái)減少可能出錯(cuò)的地方，在比較重要的部分可以細(xì)化處理 網(wǎng)格，從而得到更精確的計(jì)算岡。 八、 作業(yè)模塊。完成建模之后，用戶就可以用Job模塊來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，可以在這份 模塊提交作業(yè)，進(jìn)行分析并監(jiān)控其分析過(guò)程。 九、 可視化模塊與模擬計(jì)算?？梢暬K會(huì)提供有限元分析的結(jié)果和圖像視頻等， 課模擬計(jì)算得到位移、應(yīng)力或其它基本變量，就可以對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估。可視化模 塊有多種方法顯示結(jié)果，可用彩色等值線圖，變形形狀圖和X-平面曲線圖來(lái)表示。 3低碳鋼軸的拉伸有限元仿真模擬實(shí)驗(yàn) 3. 理論意義和應(yīng)用價(jià)值 低碳鋼軸的拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)課程中最基本的實(shí)驗(yàn)，也是最重要的實(shí)驗(yàn)之一。土 木工程的設(shè)計(jì)，機(jī)械制造的設(shè)計(jì)和其他類(lèi)型的工業(yè)部門(mén)提供可靠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟牧蠌?qiáng)度指標(biāo)， 以便合理地采用材料從而保證結(jié)構(gòu)零件、機(jī)器的零件強(qiáng)度指標(biāo)。 為了讓學(xué)生更好的對(duì)材料力學(xué)低碳鋼軸拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變的四個(gè)階段的理解， Abaqus有限元分析軟件在非線性材料上是非常強(qiáng)大而又便捷的。在很大程度上能夠激 發(fā)同學(xué)對(duì)原本只能用不直觀較為抽象的理論概念的興趣，為了讓大學(xué)生更有效的學(xué)習(xí)低 碳鋼軸拉伸，低碳鋼是塑性材料。拉伸時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線被分為了四個(gè)主要的階段：彈性 階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和局部頸縮階段，而且在后面兩個(gè)階段有明顯的局部變形現(xiàn)象 即頸縮和拉斷。和其相比鑄鐵是典型的脆性材料，僅有兩個(gè)階段，所以在應(yīng)力較小的情況 下就容易拉斷，所以在理論學(xué)習(xí)中應(yīng)力比較小的拉伸下鑄鐵相似于胡克定律曲線。 Abaqus能夠充分展現(xiàn)低碳鋼軸與鑄鐵的區(qū)別，極大提高學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)效率。 3.2低碳鋼軸拉伸的理論分析 圖2-4為低碳鋼的拉伸圖。在加載的最初階段所畫(huà)出的拉伸曲線一開(kāi)始為一段曲線。 —般的，低碳鋼拉伸時(shí)力和變形的關(guān)系曲線（F =業(yè)曲線）即應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為彈性 線性階段0A）、屈服階段AB）、強(qiáng)化階段BCD）和局部變形階段DE） mi,如下圖32 所示。 基于ABAQUS的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究 圖3.低碳鋼軸拉伸的應(yīng)力應(yīng)變圖 322屈服極限的測(cè)定 與低碳鋼相似的塑性材料且具有明顯屈服和頸縮階段的材料，應(yīng)需要測(cè)量它的屈服 強(qiáng)度以保證材料強(qiáng)度極限。在屈服階段的時(shí)候若載荷是恒定的，這個(gè)時(shí)候的應(yīng)力用屈服 強(qiáng)度。S來(lái)表示；上屈服強(qiáng)度。SU是指低碳鋼軸在出現(xiàn)屈服現(xiàn)象且力下降前的最大應(yīng)力，下 屈服極限O是指在屈服過(guò)程中不包括初始瞬時(shí)效應(yīng)的最小的應(yīng)力。且屈服強(qiáng)度。S、上屈 服強(qiáng)度Ou和下屈服強(qiáng)度。分別按式32)- 32)計(jì)算。 P os = g (N/mm2或 MPa) % P Osu = S (N/mm2 或 MP a % P O = S (N/mm2 或 MP J % 322強(qiáng)度極限的測(cè)定 屈服階段之后，如果要使試樣繼續(xù)變形，就必須增加載荷；這個(gè)時(shí)候進(jìn)入強(qiáng)化階段， 試樣拉至斷裂，從拉伸圖確認(rèn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大拉力值與原始的橫截面值之比稱(chēng)抗拉強(qiáng) 度。b。 Ob = g (N/mm2或 MPa) 3.2.3斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)定 在低碳鋼軸拉斷后，標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比稱(chēng)斷后伸長(zhǎng)率6。 6 = -1^x100% 在這之中，L是低碳鋼軸斷后標(biāo)距，在測(cè)量的時(shí)候把斷裂的兩半低碳鋼軸在斷裂處對(duì) 接并緊密對(duì)接起來(lái)，盡可能使其軸線放置同一軸線上讀取數(shù)據(jù)。又因?yàn)閿嗔芽诟浇乃?性變形最大，因此在量取L的時(shí)候要注意與端口部位有很大關(guān)系。測(cè)量l可用直測(cè)法和移 位法。 -.a斷面收縮率的測(cè)定 低碳鋼軸拉斷后,斷面收縮率屮是指其原本橫截面積s0與頸縮處最小橫截面積S1之差 與原始橫截面積的百分率，具體公式如下所示： (33) SS W ^^xWO% Si 因?yàn)閿嗫诓皇窃镜膱A形發(fā)生了一定的變形，應(yīng)在兩個(gè)互相垂直的方向上量取最小 截面的直徑，取其平均值d1計(jì)算S。 0 基于ABAQUS的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)硏究 圖3.2低碳鋼軸拉伸試驗(yàn)機(jī) 325理論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 根據(jù)上述的理論實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)： 表25低碳鋼式樣拉伸后的數(shù)據(jù) 材料 低碳鋼 直 徑 (mm) 10 原始標(biāo)距最大力(N)上屈服力 下屈服力 100 30602 27145.50 22648.50 斷后標(biāo)距 130500 斷裂直徑 6517 38.000 36,000 34.000 32.000 30,000 28,000 26,000 24,000 22,000 N 20,000 18,000 16,000 14,000 12.000 10.000 圖3.3拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-位移圖 p 22^x68 ^fr+EhkTEH ? n 一 s 一 “口"° 一 qqq M /mm2 數(shù)據(jù)處理-Os = S = 78 34 - 2883iN/mm 3。 ’ ob = FF = 3300 = 389.32N/mm2 b So 78,54 8 - 1丄奴[00，- ^3 0'1 0 x-i o o % -3o % 1。。 m - Sq-S] x uu% - 78.34-30.0乂1 uu% - 33% S 78.54 1 雖然使用傳統(tǒng)的電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)理論操作上可行，但實(shí)際操作上數(shù)據(jù)誤差非常大， 學(xué)生很難完全得把四個(gè)階段完全完好的表示出來(lái)尤其是頸縮階段。而且低碳鋼軸拉伸斷 裂后無(wú)法重復(fù)使用，而且實(shí)驗(yàn)機(jī)有限，在材料資源上無(wú)法保證每人親自體驗(yàn)而是采用多 人分組，大多數(shù)高校難以讓所有學(xué)生充分理解該實(shí)驗(yàn)。所以采用Abaqus有限元分析法 是非常高效讓學(xué)生接受的方式。 在現(xiàn)在的大學(xué)課程體系中，大部分的理工科的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中講解低碳鋼試件拉伸 僅僅只是簡(jiǎn)單描述四個(gè)階段的現(xiàn)象及介紹其應(yīng)力應(yīng)變圖，對(duì)很多比較重要的細(xì)節(jié)問(wèn)題并 沒(méi)有得到清楚的闡釋。例如在屈服階段，為什么應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性階段過(guò)后會(huì)發(fā)生一 系列波動(dòng)；在低碳鋼軸拉伸的過(guò)程中，為何在最后的強(qiáng)化階段和頸縮階段應(yīng)力會(huì)下降且 在這之后會(huì)發(fā)生破壞；低碳鋼軸加載在強(qiáng)化階段之后卸載力再重復(fù)加載，為何不會(huì)出現(xiàn) 屈服階段，為何彈性比例極限也提高了，這些都不能獲得清楚的闡釋。 在低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)中,在距離力作用端較遠(yuǎn)的地方，橫截面應(yīng)力分布表現(xiàn)是均匂的； 然而在力的作用位置，應(yīng)力的分布卻是非均匂的。所以同學(xué)在一開(kāi)始去理解這個(gè)概念的 時(shí)候是很難理解應(yīng)力在低碳鋼軸上的分布情況的。若此時(shí)我們可以在有限元仿真 ABAQUS中建立一個(gè)低碳鋼試件拉伸的模型，并進(jìn)行后處理，然后可視化，就可以根據(jù) 生動(dòng)形象的應(yīng)力云圖和視頻的顯示結(jié)果,由此了解低碳鋼軸上哪里的應(yīng)力分布是均匂的， 哪段的應(yīng)力分布是不均匂的，從而更好地理解低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)四個(gè)階段產(chǎn)生的原因。 33 低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)M 3.33建立模型 開(kāi)始計(jì)算前，需要對(duì)問(wèn)題計(jì)算進(jìn)行分析，建立實(shí)體模型。載入Part模塊、創(chuàng)建三維 模型。創(chuàng)建一個(gè)名稱(chēng)為beam，橫截面如上2.1.1低碳鋼拉伸試件示圖所示。進(jìn)入二維的 繪制環(huán)境之后，建立了以5mm為半徑的圓，設(shè)置拉伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為55Umm，拉伸后生成三 維試件；為了方便后續(xù)施加載荷，在坐標(biāo)0,5,50）上設(shè)置參考點(diǎn)RP-1,完成后如圖33 所示。 試驗(yàn)結(jié)果表明，低碳鋼軸的形狀尺寸以及大小都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了減少和避免 這些因素，為了能夠更合理的分配材料力學(xué)性能的數(shù)值大小，因此國(guó)家通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī) 定了部件的尺寸大小及形狀，即“標(biāo)準(zhǔn)試件”，其形狀尺寸的詳細(xì)規(guī)則參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)絵屬 材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》GB/T228-2002。標(biāo)準(zhǔn)試件的直徑為禹，測(cè)標(biāo)距LQ = 10d°或 L0 = 5d0, 一般取10mm或20mm。矩形截面試件標(biāo)距L與橫截面積A的比例為 L0 = 1.33a^L0 = 5.65拒。在低碳鋼軸拉伸的實(shí)驗(yàn)中，選擇圓形截面，以便于之后計(jì)算 截面收縮率以及相關(guān)數(shù)據(jù)。 圖3.4建模后的試件 3.6.6材料屬性設(shè)置 9 Damage Evolution 圖3.材料設(shè)置示意 Name: WKOUS Description: General Mechanical Thermal El ectn cal/Magnetic Other Ductile Damage 口 Use temperature-dependent data Numbftr nf field variable!；: 材料屬性參數(shù)關(guān)系材料本構(gòu)，在低碳鋼軸向拉伸仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)材料非線性參數(shù)的 定義非常重要。如上圖3.5所示，在進(jìn)入Property模塊之后，創(chuàng)建材料并在材料名稱(chēng)中 輸入steel,在彈性階段中設(shè)定彈性模量210Gpa和泊松比0.3。因?yàn)檫€要模擬低碳鋼的 塑形變形的階段，所以需要添加材料的屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變，若需要模擬出低碳鋼的應(yīng) 力應(yīng)變曲線，對(duì)屈服應(yīng)力和塑形應(yīng)變的參數(shù)值設(shè)定尤其重要，需逐個(gè)添加設(shè)定。屈服應(yīng)力 塑形應(yīng)變?nèi)缦聢D3.3所示。為了模擬頸縮階斷裂階段，在添加的材料的屈服應(yīng)力和塑性 應(yīng)變的接觸之外，還需要定義延展破壞參數(shù)。其中包括斷裂應(yīng)變、三向應(yīng)力比和應(yīng)變率。 最后再定義截面屬性。 3.3.3裝配模塊的定義 在Assembly模塊中，由于只有一個(gè)零部件，只需把部件放入即可。需設(shè)定裝配件， 選中Instence Part ；鍵入Croate Instence之后，維持所有的默認(rèn)參數(shù)不變，即可完成對(duì) 裝配件的定義。 3.3.5分析步設(shè)置 進(jìn)入分析步模塊，僅設(shè)置一個(gè)靜態(tài)學(xué)分析步，將非線性打開(kāi) 為后續(xù)分析做準(zhǔn)備）， 初始和最大時(shí)間增量均設(shè)定為0.1o設(shè)置歷程輸出變量為RP1點(diǎn)所在集合的反力RF3 和位移U3。 3.分析步設(shè)置示意 3.3.5施加邊界條件與定義載荷 定義邊界條件。首先在Initial的初始分析步中定義分析步，根據(jù)對(duì)低碳鋼軸拉伸的模 擬來(lái)構(gòu)建約束，與懸臂梁的約束方式相同，首先在梁的一個(gè)端面上定義全約束即固定所 有自由度。在另一側(cè)端面,之前設(shè)置好的參考點(diǎn)RP-上往U3方向上施加位移載荷10mm, 并約束方向 U1、U2、UR1、UR2、UR3。 圖3.7邊界條件設(shè)置示意 3.3.3網(wǎng)格劃分 進(jìn)入Mesh模塊，劃分網(wǎng)絡(luò)。劃分網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞會(huì)直 接影響到分析預(yù)測(cè)是否順，低碳鋼模擬是否與實(shí)際相度而且也關(guān)系到是否能得到高精度 的分析數(shù)據(jù)結(jié)果。因此選擇單元類(lèi)型時(shí)，既要保證結(jié)果具有足夠的精度，又要防止造成過(guò) 度的工作量;低碳鋼為塑形材料，是非線性的分析過(guò)程，所以尤其注意在網(wǎng)格劃分設(shè)置中 需要定義粘性和單元?jiǎng)h除，否則則不能順利模擬斷裂過(guò)程。在低碳鋼試件拉伸的仿真模 擬中會(huì)出現(xiàn)塑性變形階段和頸縮現(xiàn)象都是非線性的，所以需要選擇八結(jié)點(diǎn)線性六面體單 元C3D8R單元，仿真計(jì)算方式是減縮積分和沙漏控制。 3.4低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)曲線圖 在Step模塊下，選擇需要設(shè)置的歷程輸出要求，即所需輸出的低碳鋼拉伸應(yīng)力和應(yīng) 變，S和E。修改好歷程輸出后，在所有工作結(jié)束后創(chuàng)立一個(gè)Job,提交進(jìn)行求解并進(jìn)行 監(jiān)控。求解完成點(diǎn)擊Resulte進(jìn)入Visualization模塊。進(jìn)入X數(shù)據(jù)管理器的ODB場(chǎng)變 量輸出，將相應(yīng)的變量輸出并Create XY Data。此時(shí)在一張曲線圖上分別得到應(yīng)力與應(yīng) 變和時(shí)間的關(guān)系。進(jìn)一步，在創(chuàng)建XY數(shù)據(jù)中選擇操作XY數(shù)據(jù)，在運(yùn)行操作符中選擇 combise XX并選中應(yīng)力與應(yīng)變，再次繪制表達(dá)，如下圖34所示。 34低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 通過(guò)查詢分析步結(jié)束時(shí)和點(diǎn)處的應(yīng)力值，位移等數(shù)據(jù)，可得到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完整數(shù)據(jù) 和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中任何時(shí)間段的變化，主要需要求出參數(shù)有上屈服極限、下屈服極限，通過(guò)試 件直徑和長(zhǎng)度得到的收縮率和伸長(zhǎng)率以及強(qiáng)度極限，如下表34所示 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 屈服強(qiáng)度os 強(qiáng)度極限ob 長(zhǎng)度丨 伸長(zhǎng)率 數(shù)值 282443Mpa 395445Mpa 15mm 304% 截面厚度d 5mm 收縮率 29.26% 表32拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)力云圖可清楚的得到。一開(kāi)始的屈服階段，低碳鋼軸的伸長(zhǎng) 量飛速增加，而載荷的大小卻相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，可忽略不計(jì)用水 平線來(lái)表示。在強(qiáng)化階段，低碳鋼軸在經(jīng)過(guò)屈服階段之后繼續(xù)伸長(zhǎng)，但是材料的塑形變形 在不斷的變強(qiáng)，所以低碳鋼軸的抗力不斷增長(zhǎng)。頸縮階段時(shí)，低碳鋼軸伸長(zhǎng)到一定程度后, 載荷讀數(shù)逐漸降低，可以看到低碳鋼軸某一段內(nèi)橫截面顯著的收縮著，發(fā)生“頸縮”現(xiàn)象直 至低碳鋼軸被拉斷。 在仿真模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，使用有限元分析Abaqus軟件進(jìn)行模擬操作便捷，僅需 按照步驟依次進(jìn)行即可得到低碳鋼試件拉伸的四個(gè)階段，不僅僅節(jié)省了低碳鋼軸的大量 需求和對(duì)電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)的使用，而且在保證對(duì)理論的充分理解的情況下完成了拉伸模 擬并求出XY曲線圖和圖表，從應(yīng)力云圖上也可以清楚的看到應(yīng)力在試件上的分布情況。 這種直觀的低碳鋼拉伸表達(dá)能夠加深學(xué)生們對(duì)拉伸的理解。進(jìn)一步，可以繪制同樣規(guī)格 的鑄鐵試件進(jìn)行對(duì)比，探討比較低碳鋼軸和鑄鐵的力學(xué)性能。 75%) GMT+08 2018 1.833 ODB： Job-2.odb + 3.952e + 02 + 3.623e + 02 + 3.293e + 02 + 2.964e + 02 + 2.635e + 02 + 2.305e + 02 + 1.976e + 02 + 1.647e + 02 + 1.317e + 02 + 9.880e + 01 + 6.587e + 01 + 3.293e + 01 + 0.000e + 00 |us/Standard 6.14-2 Thu May 分析步：Step-1 Increment 191: Step Time 主變星:S. Mises ,形變墾：廿 變形縮故+1.000e + 00 圖32最大應(yīng)力時(shí)abaqus動(dòng)畫(huà)及數(shù)據(jù) 32低碳鋼軸拉伸實(shí)驗(yàn)視頻 首先輸出低碳鋼拉伸動(dòng)畫(huà)分為三種：第一種是低碳鋼試件動(dòng)畫(huà)的時(shí)間歷程，其表示整 個(gè)時(shí)間的變化過(guò)程，即所有增量步的過(guò)程。動(dòng)畫(huà)的時(shí)間歷程必須先點(diǎn)擊“動(dòng)畫(huà)：時(shí)間歷程” 并播放動(dòng)畫(huà)。在基于幀的情況下，總幀數(shù)等于所有分析步的增量步數(shù)量之和，那么其動(dòng)畫(huà) 總時(shí)間=總幀數(shù)/幀變率。若是基于時(shí)間的情況下，需要先定義一個(gè)時(shí)間增量步，而且最小時(shí)間和最大時(shí)間指的是自定義時(shí)間段可以隨意定義一個(gè)時(shí)間段作為輸出，此時(shí)動(dòng)畫(huà)總時(shí) 間=所有分析步的時(shí)間之/（時(shí)間增量*幀變率）和；第二種是動(dòng)畫(huà)的縮放系數(shù)。動(dòng)畫(huà)的縮放 系數(shù)首先需要點(diǎn)擊該縮放系數(shù)的動(dòng)畫(huà)并播放，再在動(dòng)畫(huà)選項(xiàng)中選擇“縮放系數(shù)/諧振”這一 欄中選擇一個(gè)幀數(shù)值，之后再在保存動(dòng)畫(huà)選項(xiàng)鍵入變化率。其公式為動(dòng)畫(huà)的總時(shí)間=幀數(shù) /變化率。 令 Save Image Animation Settings File name: d:/Temp/lashen.avi Format: Selection Capture: All Viewports ▼ PT] Capture viewport decorations (if visible) IT] Capture viewport backgrounds 口 Capture viewport compass (if visible) Frame Rate (frames/sec) 50 OK Apply Cancel 3. 0時(shí)間歷程的動(dòng)畫(huà)設(shè)置 如上圖所示為時(shí)間歷程的動(dòng)畫(huà)輸出方式，該動(dòng)畫(huà)總幀數(shù)為266,幀變率為24,所以 動(dòng)畫(huà)的播放時(shí)間=總幀數(shù)/幀變率=266/24=11 o默認(rèn)格式為AVI，在未修改的情況下，視 頻將默認(rèn)存儲(chǔ)到“Temp”目錄下。 lashen.avi □ 分析歩： S’ Mises (平均：75%) 總時(shí)間: Step-1 偵:238 2.227372 EEeeeEeeeeEee 2334556770730 52963O741SS9O 9629639638520 ODB： Job-2.0 2222222221110 □□□□□□□□□□□□□ 2.227 分析步：Step-1 Increment 238: Step Time 主斐量:：S’ Mises 女形奏畐：II齊形編榊系散：+1 .nnnf?十nn 3.11低碳鋼試件拉伸仿真視頻 基于ABAQUS的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究 基于ABAQUS的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究 4彈性模量與泊松比的測(cè)定有限元仿真模擬實(shí)驗(yàn) 4.理論意義及應(yīng)用價(jià)值 彈性模量、泊松比是材料力學(xué)的兩個(gè)重要指標(biāo)，是在材料受到拉伸或者是壓縮發(fā)生 變形時(shí)能夠反應(yīng)映其變化程度。對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的測(cè)定也是在大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系 中的重要實(shí)驗(yàn)，而且在各個(gè)領(lǐng)域或者工程中都必須嚴(yán)格把控并測(cè)定彈性模量E與泊松比 卩，彈性模量與泊松比也貫穿著整個(gè)材料力學(xué)的計(jì)算之中，也希望學(xué)生能夠通過(guò)Abaqus 仿真分析來(lái)更充分的理解其物理意義，并驗(yàn)證胡克定律。 4.2彈性模量與泊松比的測(cè)定理論分析 在試件軸向拉伸的情況下，比例極限內(nèi)通過(guò)胡克定律可知： E = sPb S縱 I橫 e縱 彈性模量: 泊松比： 4.D 4.2) 3 式中，P一拉伸力； S-桿件的橫截面面積； 占縱-縱向線應(yīng)變； 與黃-橫向線應(yīng)變。 求E, //需先測(cè)出線應(yīng)變，一般實(shí)際實(shí)驗(yàn)采用的方式是電測(cè)靜應(yīng)變，這在工程上是最 普通平常的測(cè)定變形程度的方法。 4.3) 實(shí)際實(shí)驗(yàn)在測(cè)試E, //時(shí)，一般會(huì)用分段等間距的加載方法，就是從最初的拉力p。到 最大的拉力中間分別等分地進(jìn)行取值，是為了避免系統(tǒng)初始時(shí)可能帶來(lái)的影響，在 這中間若數(shù)據(jù)有問(wèn)題可以及時(shí)解決并修正，加上數(shù)據(jù)的重復(fù)程度和讀數(shù)差的程度如何， 并觀察符合胡克定律的程度。由上述的方式來(lái)讀處平均值，并計(jì)算彈性模量E和泊松比// : eW BtA￡x 4.4) 區(qū) X 式中八P -每級(jí)拉力增量，單位牛頓; M 5 -分別相應(yīng)于?的縱向和橫向線應(yīng)變?cè)隽?，單位均為?yīng)變(藥； B, t-分別為板試件的寬度和厚度，單位為毫米。 彈性模量是組織結(jié)構(gòu)的不敏感參數(shù)，代表著晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。而 在工程上，彈性模量是材料剛度的度量即是代表著物體變形難易程度的一個(gè)指標(biāo)，彈性 模量越小越不容易變形。彈性模量和泊松比的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要囹。對(duì)低碳鋼試件進(jìn)行 拉伸的實(shí)驗(yàn)操作中，彈性模量和泊松比是低碳鋼軸拉伸的過(guò)程中通過(guò)貼在試件兩面不同 應(yīng)變片及應(yīng)變儀，從而獲得橫縱向應(yīng)變值。因?yàn)閼?yīng)變儀是精密儀器，非常容易受到外界因 素的干擾，而且這些因素會(huì)隨之對(duì)測(cè)量結(jié)果隨著使用時(shí)間的增加一部分指標(biāo)逐漸出現(xiàn)不 理想的狀態(tài)，例如實(shí)驗(yàn)精度；有時(shí)候甚至誤差將會(huì)在10%以上有事會(huì)高達(dá)15%甚至到達(dá) 20%以上。所以同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中如果操作不恰當(dāng)和也會(huì)將設(shè)備損壞，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損 失。 所以本文將以實(shí)驗(yàn)室材料力學(xué)多功能功能實(shí)驗(yàn)機(jī)為原型，通過(guò)Abaqus建立低碳鋼 試件三維力學(xué)模型進(jìn)行彈性模量和泊松比的測(cè)定。通過(guò)Abaqus的前處理、作業(yè)模塊、可 視化模塊三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行彈性模量與泊松比的測(cè)定仿真模擬實(shí)驗(yàn)，給出詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 在學(xué)習(xí)過(guò)程中使學(xué)生更充分的理解彈性模量和泊松比的物理意義，同時(shí)也降低對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè) 備的損壞以及使用頻率。 44彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真模擬 444建立模型 試驗(yàn)結(jié)果表明，低碳鋼軸的形狀尺寸以及大小都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了減少和避 免這些因素，為了能夠更合理的分配材料力學(xué)性能的數(shù)值大小，因此國(guó)家通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一 規(guī)定了部件的尺寸大小及形狀，即“標(biāo)準(zhǔn)試件”，其形狀尺寸的詳細(xì)規(guī)定參閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)絵 屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》GB/T228-2002。標(biāo)準(zhǔn)試件的直徑為d。，測(cè)標(biāo)距L° = 10d°或 L0 = 5d0, 一般取10mm或20mm。矩形截面試件標(biāo)距L與橫截面積A的比例為 L0 = 1143a或L0 = 545屈因此根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在彈性模量與泊松比的測(cè)量仿真模擬實(shí) 驗(yàn)中，采用矩形截面的試件，具體參數(shù)如下表44及圖44所示。 表44試件的主要參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)(mm) Lo do .00 20 R 試件總長(zhǎng)度L 25 200 圖4.彈性模量與泊松比的試件件示圖 開(kāi)始計(jì)算前，需要對(duì)問(wèn)題計(jì)算進(jìn)行分析，建立實(shí)體模型。載入Part模塊、創(chuàng)建三維 模型。創(chuàng)建一個(gè)名稱(chēng)為beam，橫截面如上2.1.1低碳鋼拉伸試件示圖所示。進(jìn)入二維的 繪制環(huán)境之后，建立了試件界面，設(shè)置拉伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為5mm，拉伸后生成三維試件；為了 便于之后添加邊界條件，在距離試件兩端40mm和50mm處，分別建立兩個(gè)基準(zhǔn)面 Datum plane-1和Datum Plane-2O添加參考點(diǎn)RP，采用創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)：兩點(diǎn)的中點(diǎn)，以 便之后施加載荷。完成后如圖4.2所示。 圖42分區(qū)后試件三維模型 422材料屬性設(shè)置 在彈性模量與泊松比的測(cè)定中，材料屬性參數(shù)低碳鋼軸的非線性參數(shù)的定義尤其關(guān) 鍵。在進(jìn)入Propertu模塊之后，設(shè)置材料和截面屬性。材料名稱(chēng)輸入stuel之后，在彈性 變形中設(shè)定彈性模量210000Mpa和泊松比025。由于還需要模擬低碳鋼的塑形變形階 段，所以需要添加材料的屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變。屈服應(yīng)力分別為300Gpa和400Gpa塑 形應(yīng)變起始為0結(jié)束為2。低碳鋼有頸縮階段，在添加的材料的屈服應(yīng)力和塑性應(yīng)變的 接觸之外，還需要定義延展破壞參數(shù)。其中包括斷裂應(yīng)變、三向應(yīng)力比和應(yīng)變率。 4.3.3裝配模塊的定義 在Assembly模塊中，由于只有一個(gè)零部件，需把部件放入即可。需設(shè)定裝配件，選 中Instance Part ；鍵入Create Instance之后，維持所有的默認(rèn)參數(shù)不變，即可完成對(duì)裝 配件的定義。 4.3.3分析步設(shè)置 進(jìn)入分析步模塊，僅設(shè)置一個(gè)靜態(tài)學(xué)分析步，將非線性打開(kāi) 為后續(xù)分析做準(zhǔn)備）， 初始和最大時(shí)間增量均設(shè)定為0.1。設(shè)置歷程輸出變量為RP1點(diǎn)所在集合的反力RF3和 位移U3,分析步的設(shè)置如下圖4.3所示。 圖4.3分析步的設(shè)置 4.3.5施加邊界條件與定義載荷 需要定義邊界條件在Initial的初始分析步中，以便能夠后續(xù)所有分析步成效且不需 要再次定義。先在梁的一端面上定義一個(gè)全約束。為了在同一平面上移動(dòng)，需固定在另一 側(cè)端面除了水平方向的所有約束，即定義位移/轉(zhuǎn)角約束，固定U2,U3,UR1,UR2,UR3方向, 邊界條件的設(shè)定如下圖4.4所示。 定義載荷。在載荷模塊中選擇集中力，由于試件在x軸方向拉伸，所以選擇已經(jīng)在模 塊