用ANSYS模拟圆棒拉伸出现颈缩问题.doc

用ANSYS模拟圆棒拉伸出现颈缩问题

1 问题描述

设圆棒长l=200mm，为诱导颈缩的出现，取圆棒棒中截面直径D=40mm。材料弹性模量E=175MPa，泊松比μ=0.3。假设为各向同性硬化材料，拉长18mm。

2 ANSYS对问题的简化分析

由于圆棒的对称性，取1/4圆棒进行分析。在考虑到圆棒具有纵向对称轴，选择轴对称单元。

3 ANSYS操作步骤

3.1 定义工作路径

/filename,yanglan

/title,shiyan1

/prep7

3.2 选择单元类型

et,1,106

选择106轴对称平面单元。

3.3 定义材料常数

mp,ex,1,175000

mp,dens,1,7850

mp,nuxy,1,0.3

根据已知，用多段线性输入材料应力—应变关系，第一组应力应变值应满 s足屈服强度和弹性模量，即。

tb,miso,1,,23

tbpt,defi,0.002,350

tbpt,defi,0.004,493

tbpt,defi,0.006,582

tbpt,defi,0.008,674

tbpt,defi,0.010,727

tbpt,defi,0.011,697

tbpt,defi,0.012,720

tbpt,defi,0.013,700

tbpt,defi,0.014,759

tbpt,defi,0.016,804

tbpt,defi,0.018,868

tbpt,defi,0.020,892

tbpt,defi,0.022,940

tbpt,defi,0.024,992

tbpt,defi,0.026,1000

tbpt,defi,0.028,1006

tbpt,defi,0.030,1010

tbpt,defi,0.032,1013

tbpt,defi,0.034,1015

tbpt,defi,0.036,1017

tbpt,defi,0.038,1019

tbpt,defi,0.040,1021

tbpt,defi,0.042,1022

tbplot,miso,1

应力—应变曲线如图3-1 所示。

图3-1 应力—应变曲线

3.4 建模及分网

采用轴对称单元时，模型建在第一象限。

k,2,100,0

k,3,100,20

k,4,0,20

a,1,2,3,4

/pnum,line,1

/pnum,kp,1

lesize,1,,,30,2.5

lesize,3,,,30,0.4

lesize,4,,,20

lesize,2,,,20

amesh,all

save

fini

分网结果如图3-2所示。

图3-2 单元体分网

对线状的几何模型用几个单元和构成单元的节点来形成（有限元）模型。此时，在有限元法中因为是在节点的位置上能够得到模型的位移，所以在想要得到位移的位置上，一定要设置节点。

3.5 施加边界条件

底边界uy=0，左边界ux=0，在右边界施加非零位移模拟轴向的拉伸变形。 /solu

lsel,s,,,4

nsll,s,1

allsel

lsel,s,,,1

nsll,s,1

d,all,uy,0

allsel

lplot

lsel,s,,,2

nsll,s,1,

d,all,uy,0

d,all,ux,18

allsel

在x,y轴方向分别加上载荷，并限制自由度，在x沿轴方向上拉伸18mm，在y轴上不增加位移，如图3-3(a)-(d)所示。

(a)

(b)

(c) (d)

图3-3(a)-(d) 添加载荷及位移

3.6 求解设置及求解

选择Static求解，选择大变形分析，时间步设为1，子步设为60，定义每隔十步输出一次计算结果。

autots,on

sstif,on

time,1

neqit,20

nsubst,60

pred,on

outres,all,all

allsel

solve

fini

4 ANSYS计算结果

4.1 正常结束

输出的变形、应力和等效塑性应变结果的有限元网格图见图4-1至图4-2。计算得到的最小截面应力和轴向应力的平均值和最大值均可由图上读出。由图可以看出，在经过了一定的时间后应力值均有了显著下降。在弹性阶段在根部产生了应力集中，应力分布和轴向应力分布类似。应力在最小截面上基本上均布。

以最大载荷点作为颈缩的开始，颈缩以后，卸载点由一个点逐步形成一个区，而且越来越大，首先出现于试件端部的中央，随着试件的不断伸长，卸载区逐渐扩大，加载区逐渐缩小，并越来越集中于颈部。由图可见，颈缩以后变形越来越集中颈部的那几个单元。

图4-1 有限元网格图

(a)

(b)

图4-2(a)(b) 变形、应力和等效塑性应变结果

4.2 异常结束

当强制将x轴向位移加大至19或20以上，根据以上结果，试样将被拉断，因此求解异常结束，图4-3为子步无终止的求解过程。

图4-3 子步无终止的求解过程

5 学习心得

5.1 将ANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来

毫无疑问，刚开始接触ANSYS时，如果对有限元，单元，节点，形函数等《有限元单元法及程序设计》中的基本概念没有清楚的了解话，那么学ANSYS很长一段时间都会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿，即使已经了解了，在学ANSYS之前，也非常有必要先反复看几遍书，加深对有限元单元法及其基本概念的理解。 视的，这可能是造成许多人花了很多时间学ANSYS，而实际应用能力却很难提高的一个重要原因。

5.2网格划分

对于面网格划分，不需要考虑映射条件，直接对整个模型使用以下命令， MSHAPE,0,2D MSHKEY,2 ESIZE,SIZE 控制单元的大小，保证长边上产生单元的大小与短边上产生单元的大小基本相等。

5.3 加载求解

对于有限元模型的加载，相对而言是一件比较简单的工作，但当施加载荷或边界条件的面比较多时，需要使用选择命令将这些面全部选出来，以保证施加的载荷和边界条件的正确性。

在ANSYS求解过程中，有时发现，程序并没有错误提示，但结果并不合理，这就需要有一定的力学理论基础来分析问题，运用一些技巧以加快问题的解决。

对于非线性分析，一般都是非常耗时的，特别是当模型比较复杂时，怎样节约机时就显得尤为重要。当一个非线性问题求解开始后，不用让程序求解完后，发现结果不对，修改参数，又重新计算。而应该时刻观察求解的收敛情况，如果程序出现不收敛的情况，应终止程序，查看应力，变形，等结果，以调整相关设置；即使程序收敛，当程序计算到一定程度也要终止程序观看结果，一方面可能模型有问题，另一方面边界条件不对，特别是计算子模型时，数据输入的工作量大，边界位移条件出错的可能性很大，因而要根据变形结果来及时纠正数据，以免浪费机时，如果结果符合预期的话，可通过重启动来从终止的点开始计算。

在做非均匀材料拉伸模拟材料颈缩现象的有限元数值计算时，对一个标准试件，一端固定，另一端加一个X方向的位移，结果发现在施加X方向的位移的一排节点产生了很大的Y方向位移，使得节点依附的单元变形十分扭曲，导致程序不收敛而终止，而中间的单元并没有太多变化。显然，可以分析在实验当中施加X方向的位移的一排节点是不应有Y方向的位移的，为了与实验相符应消除Y方向的位移，可同时施加一个Y方向的零约束，重新计算，结果得到了比较理想的颈缩现象。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4zoi.html