ANSYS材料非线性分析

【分享】ANSYS7.0超弹材料的定义－新的曲线拟合功能--摘自ansys用户专区 几何非线性

几何非线性不受敛主要原因

1.网格质量，特别是warpage 2.约束方程，少用刚性连接 3.收敛准则，可适当加大容差 4.荷载步设置，可适当加大步数

最近碰到一个对我来说很意外的问题： 如果确实如此希望大家以后小心

大家知道定义接触后会自动生成一组实常数，

前几天我碰到一个问题，需定义超过10组实常数，接触对很多，好像有20多处， 按照常规步骤划分完所有网格，当时因为有一个实常数参数没确定， 便预留了最后一组（第10组）实常数里面的参数为空， 接下来就定义了所有的接触对，由于所有接触对里的设置一样，ANSYS在我保存db完重新打开后

便把我所有的接触对综合成一个了！

接下来我就把第十组实常数里面的参数补上了，但在求解时却提示我该实常数同时被两种单元（包括CNTACT单元） 同时占用，出现错误！！

检查了半天才发现自动生成的接触对实常数把第10组实常数也占用了！ 我实在没找到什么好的解决办法，

只得把接触对删除了重新定义，那可是上百多个面的选取过程，痛苦不堪简直！ ANSYS里接触对面的选取时还不能针对Component操作！

ANSYS7.0超弹材料的定义－新的曲线拟合功能

ANSYS7.0中的超弹材料模拟能力得到了很大的加强，在ANSYS6.1的超弹材料模型的基础上又增加了Gent, Yeoh, Blatz-Ko, and Ogden (Foam)四种超弹性材料模型，使得其超弹模拟能力得到了

进一步扩展。

ANSYS7.0中对超弹能力最吸引人的增强还不在于此，而是在于其曲线拟合能力的大幅度扩展，不再像ANSYS6.1以前的版本一样曲线拟合仅仅局限于Mooney-Rivlin模型，而是将其扩展到所有的超弹模型，这样，用户可以利用实验得到的应力应变数据直接让程序自己拟合出任意一种超弹材料模型的参数，

大大方便了用户的使用。以下就ANSYS7.0的超弹拟合功能做一简单介绍。

在ANSYS6.1中，*mooney命令或对应的GUI菜单可以根据试验数据拟合Mooney-Rivlin超弹材料参数，但只局限于这一种模型，而且其使用也受到了限制，其数据只能用于hyperXX单元，若要用于18x单元还需要将拟合出的参数直接输入tb hyper对应的超弹模型中，由于其使用的不方便性，Ansys7.0的超弹模型中剔除了Ansys6.1版本中的*mooney命令对应的曲线拟合菜单而增加了新的可适用于多个超弹模型的拟合功能，但*mooney命令仍然存在，也就是说如果您需要使用经典的拟合方

法，可以定义相应的数组参数，然后用命令流的方式进行拟合。

其实，在Ansys7.0中不再推荐使用*mooney命令来进行拟合，而建议采用新的拟合技术,可以进行多

个超弹模型的拟合，而且可以直接用于18x单元。其拟合菜单的路径为：

Material->Nonlinear->Elastic->Hyperelastic->Curve Fitting

然后按照wizard的提示一步步输入单轴、双轴、剪切、体积试验数据文本文件名称，如果没有任何一种试验数据，只需将该名称处空置即可，最后选择需要拟合数据的超弹模型，程序就会自动计算出相应的参数，并立刻在图形窗口显示拟合曲线与试验曲线的比较图，如果不理想，可以点击prev回到前面的步骤重新选取模型，如果拟合结果满意，则点击update，拟合出来的材料参数就会被输入激活的材料号中，

使用起来非常方便。

试验数据的文件格式需要进行说明：

单轴、等双轴、剪切数据为应变－应力数据，依次输入应变、应力值，第一列为应变，第二列为应力，每一行两个数之间用空格隔开（空格数目不限），代表一个数据点。数据符号：拉为正，压为负。体积试验数据有所不同，每一行两个数据同样用空格隔开，第二个数为静水压力，但第一个数不是体积应变e，而是相对体积，即1+e，例如体积应变为-0.01，则应该在第一列输入0.99。而且程序假定体积试验为线性关系，拟合时也只拟合出一条直线，所以通常输入两个值即可。数据符号：使体积减小的静水压力为正，

这需要注意，如下例：

0 0 0.99 20

在选用mooney模型的情况下，单轴、等双轴、剪切试验数据用来计算参数c1-c9，而体积数据用来计算最后一个数据d（不可压缩性因子，与泊松比有关），如果不给出体积试验曲线，则d=0，这种情况下

可能需要手工修改d值，如果知道泊松比u，则可用如下公式计算： d=(1-2u)/(c1+c2) 此式是建立在几乎不可压缩（u接近于或等于0.5）的前提下的。因为准确的公式应该如下：

剪切模量G=2(c1+c2) 体积模量k=E/(3(1-2u)) G=E/(2(1+u)) k=2/d

于是 d=2/k=6(1-2u)/(4(1+u)(c1+c2))

可以看到，如果u约等于0.5，则上式可以简化为前面的式子。

mooney还有其他一些推导基于几乎不可压缩，所以对mooney模型而言，输入参数时一定要注意其

泊松比应该接近0.5，一般大于0.49。

4.2.4.4 求解步骤（命令流方法） fini /cle l=60 l1=15 w=10 ri=50 ro=160

routn=200 pp=600 pp1=30 pex=5000 /prep7 et,1,42 et,2,14

keyopt,1,3,2 keyopt,2,3,2

确定Mooney-Rivlin常数的个数

概略地说，数据点的个数(即上面的 N )应至少为Mooney-Rivlin常数个数的两部。常数个数越多，曲线的统计量越与真实值相接近(即拟合得更好)，但曲线的形状可能会比常数个数少的曲线要差。鉴于此，用户可以按顺序尝试2项、5项、9项函数，并检查其所生成的应力-应变曲线以确定到底哪一个函数在综合曲线形状以及拟合质量两方面做得最好。 表4-1 建议的Mooney-Rivlin常数

应力-应变曲线中的点数 无拐点(即单个曲线) 一个拐点(即2条曲线) 2个拐点 建议的Mooney-Rivlin函数 2项 5项 9项

图4-14 典型的超弹性应力-应变曲线

输出应力数组(CALC) ：其大小为 N ×3， N 与前面的一样，该数组保存计算出来的应力值，这些应力值保存的顺序与其相应的应变保存值的顺序一致(后者以升序排列)。 排序应变数组(SORTSN) ：其大小为 N ×3，它保存经过排序的输入应变。 排序应变数组(SORTSN) ：其大小为 N ×3，它保存经过排序的输入应力。 例如，如果任一个类型的测试数据包含直到20个数据点，而想生成5项的Mooney-Rivlin常数，则可以应用下面的命令来定义所需要的数组(记住：用户可以代入任意有效的参数名)： *DIM,STRAIN,,20,3 ! Dim. array (STRAIN) for 20 input strain-data points *DIM,STRESS,,20,3 ! Dim. array (STRESS) for input stress data (20 pts.) *DIM,CONST,,5,1 ! Dim. array (CONST) for 5-term M-R constants *DIM,CALC,,20,3 ! Dim. array (CALC) for sorted calculated stresses *DIM,SORTSN,,20,3 ! Dim. array (SORTSN) for sorted input strain data *DIM,SORTSS,,20,3 ! Dim. array (SORTSS) for sorted input stress data 参见 * DIM 命令的说明。 第二步：填充输入数据数组

当数组定义完成之后，就可以用 * SET 命令(GUI：Utility Menu> Parameters>Array Parameters)将实验数据填入STRAIN数组和STRESS数组。请再一次记住，用户可以给这些数组任意有效的参数名；在这里所采用的参数名，只是为了讨论方便。

注意--*MOONEY 命令将所有输入应力和应变都解释为工程应力和工程应变。 这些数组大小都为 N *3，其每一列各自表示一类测试数据，顺序是： 第一列：单轴拉伸和/或单轴压缩；

第二列：等双轴拉伸和/或等双轴压缩； 第三列：剪切(平面拉伸或压缩)。

注意这并不是说，变形模式及其等同存在1：1的关系。第一个变形模式--单轴拉伸--与等效双轴压缩等同，但数组第一列包含从单轴拉伸和/或单轴压缩得到的数据。类似地，第二个变形模式--等双轴拉伸--与单轴压缩等同，但数组第二列包含从等双轴拉伸和/或等双轴压缩得到的数据。

表4-2 应力-应变输入数组中的数据位置

变形模态 单轴拉伸 等双轴拉伸 剪切 等效测试类型 单轴拉伸 等双轴压缩 等双轴拉伸 单轴压缩 平面拉伸 平面压缩 测试数据的在数组中的位置 第一列 第二列 第二列 第一列 第三列 第三列 如果只作了一种或两种测试，则须将未做的测试的相应的列置空。可用 图4-15 来说明。

图4-15 在应力和应变输入数组中的数据位置

现在考虑一个得到了单轴拉伸和剪切测试数据时的情况。在数组中存储应变和应力的命令可能象下面那样(当然，数组可以有任意的名字，而且在本例中用N1和N2表示的数据点数，可以是任意整数)： ! Uniaxial Tension Data

*SET,STRAIN(1,1), ... ! First 10 strain data points

*SET,STRAIN(11,1), ...! Strain data points 11 through N1 (if N1<21) *SET,STRESS(1,1), ... ! First 10 stress data points

*SET,STRESS(11,1), ...! Stress data points 11 through N1 ! Shear Data

*SET,STRAIN(1,3), ... ! Strain data points 1 through N2 (if N2<11) *SET,STRESS(1,3), ... ! Stress data points 1 through N2 参见 * SET 命令的说明。

第三步：计算Mooney-Rivlin常数 要自动生成Mooney-Rivlin常数，首先应执行 TB 命令，并使该命令的 Lab =MOONEY， TBOPT =1。然后，执行 * MOONEY 命令，将已生成好的数组名填入其中(用户可以给这些数组任意有效的参数名，在这里所采用的参数名，只是为了讨论方便)：

TB,MOONEY,MAT,NTEMP,,1

*MOONEY,STRAIN(1,1),STRESS(1,1),,CONST(1),CALC(1),SORTSN(1), SORTSS(1),Fname,Ext

程序自动计算出Mooney-Rivlin常数，将它们写入数据库和 CONST 数组(可以是任何有效的数组名)中，并还以 TB 和 TBDATA 命令的格式写入一个ASCII文件 Fname.Ext 中(缺省是Jobname.TB)。

单轴公式将用于第一列的数据，而等双轴公式将用于第二列，平面(纯剪)公式将用于第三列。

注意 --在 STARIN 和 STRESS 中输入的所有试验数据，将用于确定Mooney-Rivlin 超弹性材料常数。

第四步：估计Mooney-Rivlin常数的质量

在输出文件中(Jobname.OUT)，检查“ROOT—MEAN—SQUARE ERROR(PERCENTAGE)”(均方根误差)和“COEFFICIENT OF DETERMINATION”(确定系数)两个输出信息，这两个值给出所计算出的应力-应变曲线与测试数据点相拟合的好坏程度的统计度量。以百分数表示的均方根误差(即2.5就表示2.5%应接近于零，确定系数接近于1.0(通常要大于0.99)。

另外，用户还应使用 * VEAL 和 * VPLOT 命令(GUI:Main Menu> Preprocessor>Material Props>Mooney-Rivlin>Evaluate Const 和 Utility Menu>Plot>Array Parameters)来以图形的方式显示输入的和计算出的应力-应变曲线，以直观地检查计算曲线与实验数据的匹配程度。在比较这些曲线时，应比较那些代表同一变形模式的数据。也就是说，所计算的单轴拉伸曲线形状(在 * EVAL 命令中的 EVPARM = 1 )，仅应当与单轴拉伸数据(在排序的STRAIN 和 STRESS数组第一列)比较。类似地，所计算的单轴压缩曲线形状，仅应当与单轴压缩数据比较；而所计算的剪切曲线形状，仅应当与剪切数据比较。

当用图形显示计算的应力-应变曲线时，用户可以将显示曲线扩展到那些没有实验数据的区域。这样就可以让用户对模型在超出实验数据区域以外的地方的响应有一个定性的认识。但是，应认识到当将显示曲线扩展到一个表示另一个不同的变形模式的区域时，在那个区域的显示就是没有意义的。例如，用户只能在正应变区域显示单轴拉伸曲线。总的来说，要得到一个好的结果，所作的实验数据应能代表所分析模型的所有的变形模式和响应(应变)范围。

* MOONEY 命令自动把Mooney-Rivlin常数写到 CONST 数组中。因为 * EVAL 命令从 CONST 常数读入相同的常数，所以可以在同一个ANSYS 阶段中，在 * MOONEY 命令后，跟着用 * EVAL 命令。如已经有了Mooney-Rivlin常数(这时不必进行 * MOONEY 计算)，则必须在计算曲线前，首先定义CONST 数组 [* DIM ]并用Mooney-Rivlin常数填充该数组[* EVAL ]。可以方程容易地填充这一数组，通常给 CONST 数组1×2、1×5、1×9。用户也可以在Jobname.TB文件中，添加 * DIM 和数组填充命令，以方便操作。

要检查曲线的形状，首先还必须定义[* DIM ]两个表数组向量(* EVAL 命令中将这两个数组名定义为 XVAL 和 ECALC ，但可以应用任何有效的参数名)。这两个表数组的大小都是P维，此时P为用户想要在曲线中绘制的点的数目(通常应使用一个相对较大的P值，以使得所绘制的曲线尽可能光滑)。其次，定义变形模式、定义应变范围，用 * EVAL 命令将工程应变和计算出的工程应力数据填入数组中。最后，用 * VPLOT 命令来绘制计算出的应力-应变曲线。下面例子说明对单轴压缩变形模式的计算曲线绘图： ! Dimension strain and stress arrays for the calculated curve: ! (Any valid parameter names can be used)

*DIM,XVAL,TABLE,1000 *DIM,ECALC,TABLE,1000

! Specify the mode of deformation (EVPARM), define the strain range

! (XMIN,XMAX), and use the M-R constants (CONST) to fill the strain (XVAL) ! and stress (ECALC) arrays with calculated data:

*EVAL,1,2,CONST(1),XMIN,XMAX,XVAL(1),ECALC(1) ! Label the graph axes:

/AXLAB,X,Engineering Strain /AXLAB,Y,Engineering Stress

! Plot the calculated uniaxial compression curve: *VPLOT,XVAL(1),ECALC(1)

参见 *DIM, *EVAL, /AXLAB, 和 *VPLOT 等命令的说明。

图4-16 典型的计算出的超弹性应力-应变曲线 第五步：使用Mooney-Rivlin常数

如果用户对曲线拟合的统计数值和整个曲线的形状都非常满意，则可使用生成的Mooney-Rivlin材料性质作后续的分析(* MOONEY 命令将在数据库中保存这些常数)。在将来的另外一些分析中，如果使用同样的材料模式，则只需用/ INPUT 命令读入文件“Jobname.TB”，即可将常数加载到新的数据库中。但别忘了定义材料泊松比的值[ MP ,NUXY,...]。用户始终要记住的一点是，应对分析结果作仔细检查，以确定原始测试数据是否涵盖了模型的变形模式和最大应变。

含有超弹性单元的分析，有时对材料性质定义和载荷施加方式非常敏感。通常是某些Mooney-Rivlin常数会导致非常稳定的刚度矩阵而其它的常数则相反。因此，应当根据经验，并特别仔细地选取常数。

ANSYS内部提供超弹性材料(基于用户输入的Mooney-Rivlin 常数)稳定检查的功能。这些检查分两个级别：

在分析前进行第一次稳定检查。对6个典型的应力路径(单轴拉伸和压缩，等双轴拉伸和压缩，平面拉伸和压缩)，延伸率范围0.1～10来进行检查。如果材料在这一范围不稳定，则出现一个提示，统计在材料变得不稳定时，名义应变的临界值，列出用户输入的Mooney-Rivlin 常数。如果材料在这一范围稳定，则不出现提示。下面的警告信息，列出材

料1变得不稳定时的名义应变，然后列出用户输入的Mooney-Rivlin 常数： *** WARNING *** CP= 1.110 TIME= 16:59:52 Material 1 can become unstable under certain loading.

The strain (nominal) limits where the material becomes unstable are: UNIAXIAL TENSION 0.645E+00

UNIAXIAL COMPRESSION -0.565E+00 EQUIBIAXIAL TENSION 0.516E+00

EQUIBIAXIAL COMPRESSION -0.220E+00 PLANAR TENSION 0.585E+00

PLANAR COMPRESSION -0.369E+00

Mooney-Rivlin constants of the hyperelastic material are: 0.170E+02, 0.000E+00, 0.150E+03 0.000E+00, 0.000E+00, 0.000E+00 0.000E+00, 0.000E+00, 0.000E+00

对于混合U-P公式的超弹性单元(HYPER56、HYPER58、HYPER74 和HYPER158)，在设置 KEYOPT(8) = 1 时，也可以在ANSYS分析期间，执行稳定检查。对于每次平衡迭代，程序检查每个高斯点的稳定情况。如未通过稳定检查，则将在ANSYS输出窗口的求解历史阶段看到一个信息，报告该迭代上不稳定的高斯点总数。如问题通过检查，则不显示任何信息。下面的例子说明在分析期间，ANSYS检查出3个高斯点超过材料稳定极限： DISP CONVERGENCE VALUE = 22.81 CRITERION= 0.5000

EQUIL ITER 1 COMPLETED. NEW TRIANG MATRIX. MAX 自由度 INC= 10.00 FORCE CONVERGENCE VALUE = 0.5018E+07 CRITERION= 0.1917E+05 >>> 3 Gauss points have exceeded the material stability limit

对于包含最少1个不稳定高斯点的单元，不稳定指标设置为1，并保存在结果文件中的SMISC记录中。在POST1中，可以绘出这个标识为STFLAG的SMISC记录来显示不稳定区域。参见下列单元和不稳定指标STFLAG相应的SMISC表项：HYPER56 单元 ETABLE 和 ESOL 命令的Item and Sequence Numbers；HYPER74 单元 ETABLE 和 ESOL 命令的Item and Sequence Numbers ；HYPER158 单元 ETABLE 和 ESOL 命令的Item and Sequence Numbers。

用户应当清楚，虽然材料未通过稳定检查是收敛困难的一个原因，但并不说明一旦材料进入不稳定区域解就无效。材料稳定检查只是在收敛失效时，一个帮助用户诊断问题的简单工具。

对于许多接近不可压缩材料(泊松比大于0.49)，我们推荐应用混合U-P列式的超弹性单元(HYPER56、HYPER58、HYPER74 和 HYPER158)。 r,1,3.1416*pex/19 r,2,3.1416*pex/19 mp,ex,2,2e5 mp,nuxy,2,0.3

rect,-w/2,w/2,-l1,l-l1 pcirc,,ro,-180,0 pcirc,,ri,-180,0 aovl,all

lsel,s,loc,y,-ro,-ri lesize,all,,,18

alls

lsel,s,loc,x,-ro,-ri lsel,a,loc,x,ri,ro lesize,all,,,10 alls

lsel,s,loc,y,(l-l1)/2 lesize,all,,,8 alls

lsel,s,loc,y,0

lsel,r,loc,x,-w/2,w/2 lcom,all alls

lsel,s,loc,x,0

lsel,r,loc,y,-l1,l-l1 lesize,all,,,6 alls

lsel,s,loc,y,-l1/2 lesize,all,,,6 alls

lsel,s,loc,x,-1*(ri+w/2)/2 lsel,a,loc,x,(ri+w/2)/2 lesize,all,,,16 alls

mshape,0,2d mshkey,2

asel,s,loc,y,-ro,-ri amesh,all alls

asel,s,loc,y,(l-l1)/2 aatt,2 amesh,all alls

asel,s,loc,y,-l1/2 aatt,2 amesh,all alls

lsel,s,loc,y,-l1/2 lsel,a,loc,y,-l1 lccat,all alls

asel,s,loc,y,-ri,-l1 amesh,all alls csys,1

n,1001,routn,-180 ngen,19,1,1001,,,,10 type,2 real,1 e,1,1001 *do,i,3,19 e,i,1000+i-1 *enddo e,2,1019 csys,1

nsel,s,loc,x,ro

ngen,2,1100,all,,,ro*(2*1.732-3)/3,30 type,2 real,2 *do,i,1,19 e,i,1100+i *enddo alls

save,dp1,db resume,dp1,db mp,ex,1,5000 mp,nuxy,1,0.4 tb,dp,1

tbdata,1,10,30,30 fini /solu

nsel,s,loc,x,routn d,all,all

nsel,s,loc,x,ro*(2*1.732)/3 d,all,all csys,0

nsel,s,loc,y,l-l1 sf,all,pres,pp alls time,1

deltime,0.1,0.05,0.2 autot,on

cnvtol,f,,0.2,,200 nlgeom,on pred,on lnsrch,on outpr,all,all outres,all,all solve

4.3 超弹性分析 4.3.1 超弹理论 4.3.1.1 超弹的定义

一般工程材料（例如金属）的应力状态由一条弹塑性响应曲线来描述，而超弹性材料存在一个弹性势能函数，该函数是一个应变或变形张量的标量函数，而该标量函数对应变分量的导数就是相应的应力分量。

上式中：[S]＝第二皮奥拉－克希霍夫应力张量 W＝单位体积的应变能函数 [E]＝拉格朗日应变张量

拉格朗日应变可以由下式表达：[E]＝1/2（[C]-I） 其中：[I]是单位矩阵，[C]是有柯西－格林应变张量

其中[F]是变形梯度张量，其表达式为：

x ：变形后的节点位置矢量 X ：初始的节点位置矢量

如果使用主拉伸方向作为变形梯度张量和柯西－格林变形张量的方向，则有：

其中： J=初始位置与最后位置的体积比 材料在第i个方向的拉伸率 在ANSYS程序中，我们假定超弹材料是各向同性的，在每个方向都有完全相同的材料特性，在这种情况下，我们既可以根据应变不变量写出应变能密度函数，也可以根据主拉伸率写出应变能密度函数。

应变不变量是一种与坐标系无关的应变表示法。使用它们就意味着材料被假定是各向同性的。Mooney－Rivlin和Blatz－Ko应变能密度函数都可以用应变不变量表示，应变不变量可以柯西－格林应变张量和主拉伸率表示出来：

一个根据应量不变量写出来的应变能密度函数如下：

为材料常数，上式是两个常数的Mooney－Rivlin应变能密度函数。

超弹材料可以承受十分大的弹性变形，百分之几百的应变是很普遍的，既然是纯弹性应变，因此超弹性材料的变形是保守行为，与加载路径无关。 4.3.1.2 不可压缩缩性

大多数超弹材料，特别是橡胶和橡胶类材料，都是几乎不可压缩的，泊松比接近于0.5，不可压缩材料在静水压力下不产生变形，几乎不可压缩材料的泊松比一般在0.48至0.5之间（不包含0.5），对这些材料，在单元公式中必须考虑不可压缩条件。在ANSYS程序中，不可压缩超弹单元修改了应变能密度函数，在单元中明确地包含了压力自由度。压力自由度使不可压缩条件得到满足，而不降低求解速度。压力自由度是一种内部自由度，被凝聚在单元内部。

4.3.1.3 超弹单元

有三种单元适合于模拟超弹性材料：

不可压缩单元有HYPE56，58，74和158，这些单元适用于模拟橡胶材料。

可压缩单元有HYPER84和86，HYPER84既可以是4节点矩形也可以是8节点矩形单元，这种单元主要用来模拟泡沫材料。

18X族单元(除LIMK和BEAM单元外，包括SHELL181, PLANE182,PLANE183,SOLID185,SOLID186,和 SOLID187)。18X族单元消除了体积锁定， 既适用于不可压材料，又适用于可压材料。参见《ANSYS Elements Reference》的“Mixed U-P Formulations”。 4.3.2 超弹材料选项

超弹性可用于分析橡胶类材料(elastomers)，这种材料可承受大应变和大位移，但体积改变极微(不可压缩)。这种分析需用到大应变理论[ NLGEOM ,ON]。 图4-13 是一个例子。

图4-13 超弹性结构

在ANSYS超弹性模型中，材料响应总是假设各向同性和等温性。由于这一假设，应变能势函数按应变不变量来表示。除非明确指出，超弹性材料还假设为几乎或完全不可压缩材料。材料热膨胀也假定为各向同性的。

ANSYS在模拟不可压缩或几乎不可压缩超弹性材料时，应变能势函数有几种选项。这些选项均适用于SHELL181,PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187 单元。可以通过 TB ,HYPER 命令的 TBOPT 参数进入这些选项。

其中一个选项，Mooney-Rivhlin 选项，也适用于 HYPER56, HYPER58, HYPER74, HYPER158 单元，以及显式动力分析单元 PLANE162,SHELL163, SOLID164。这一选项可通过 TB ,MOONEY 命令进入。

4.3.2.1 Mooney-Rivlin超弹性选项(TB,HYPER)

请注意本小节论述应用Mooney-Rivlin 选项与单元 SHELL181, PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187。

如果你想应用Mooney-Rivlin选项于单元HYPER56, HYPER58, HYPER74, HYPER158, PLANE162, SHELL163,SOLID164，则参见§4.3.2.7。

Mooney-Rivlin选项( TB ,HYPER,,,,MOOMEY)是缺省项，允许用户通过 TB 命令的 NPTS 参数定义2，3，5或9个参数。例如，为了定义5参数模型，用户采用 TB ,HYPER,1,,5,MOONEY。

2参数Mooney-Rivlin选项，适用于应变大约为100%(拉)和30%(压)的情况。与其他选项相比，较高阶的Mooney-Rivlin选项，对于较大应变的求解，可得到较好的近似。 下例是3参数Mooney-Rivlin选项的输入实例：

TB,HYPER,1,,3,MOONEY !Activate 3 parameter Mooney-Rivlin data table TBDATA,1,0.163498 !Define c10 TBDATA,2,0.125076 !Define c01 TBDATA,3,0.014719 !Define c11

TBDATA,4,6.93063E-5 !Define incompressibility parameter !(as 2/K, K is the bulk modulus)

对于本选项所需要的材料常数的描述，见《ANSYS Elements Reference》。 4.3.2.2 Ogden选项

Ogden选项( TB ,HYPER,,,,OGDEN)允许用户通过 TB 命令的 NPTS 参数定义无限参数，例如，应用 TB ,HYPER,1,,3,OGDEN 定义3参数模型。

与其他选项相比，Ogden选项通常对大应变水平的求解提供最好的近似。可应用的应变水平可达到700%。较高阶的参数可提供更精确的解。但是这样也可能在拟合材料常数时引起数值困难，而且它要求在用户感兴趣的变形范围内要有足够的数据。 下面是2参数Ogden选项的输入列表:

TB,HYPER,1,,2,OGDEN !Activate 2 parameter Ogden data table TBDATA,1,0.326996 !Define μ1 TBDATA,2,2 !Define α1 TBDATA,3,-0.250152 !Define μ2 TBDATA,4,-2 !Define α2

TBDATA,5,6.93063E-5 !Define incompressibility parameter !(as 2/K, K is the bulk modulus)

!(Second incompressibility parameter d2 is zero)

对于这个选项所需要的材料常数的论述，请参见《ANSYS Elements Reference》。 4.3.2.3 Neo-Hookean超弹性选项

Neo-Hookean选项( TB ,HYPER,,,,NEO)代表应变能势能的最简单形式，可用于应变范围20-30%。下面是Neo-Hookean选项的一个输入列表示例： TB,HYPER,1,,,NEO !Activate Neo-Hookean data table TBDATA,1,0.577148 !Define incompressibility parameter !(as 2/K, K is the bulk modulus)

对于这个选项所需要的材料常数的论述，请参见《ANSYS Elements Reference》。 4.3.2.4 多项式超弹性选项

多项式选项( TB ,HYPER,,,,POLY)允许用户通过 TB 命令的 NPTS 参数定义无限多个参数。例如应用 TB ,HYPER,1,,3,POLY 定义3参数模型。

与高阶Mooney-Rivlin选项相似，本选项对高应变水平可提供较好的近似。

在 NPTS =1，常数 =0，这一选项等价于Neo-Hookean选项(用户可参见§4.3.2.3)。在

NPTS =1时，本选项等价于2参数Mooney-Rivlin选项。在 NPTS =2时，来选项等价于5

参数Mooney-Rivlin选项。在 NPTS =3时，本选项等价于9参数Mooney-Rivlin选项(参见§4.3.2.1)。对于本选项所要求的材料常数，参见《ANSYS Elements Reference》。 4.3.2.5 Arruda-Boyce超弹性选项

Arruda-Boyce选项( TB ,HYPER,,,,BOYCE)可用于直到300%的应变水平。下面是本选项的一个例子:

TB,HYPER,1,,,BOYCE !Activate Arruda-Boyce data table TBDATA,1,200.0 !Define initial shear modulus TBDATA,2,5.0 !Define limiting network stretch

TBDATA,3,0.001 !Define incompressibility parameter !(as 2/K, K is the bulk modulus)

对于本选项所要求的材料常数，参见《ANSYS Elements Reference》。 4.3.2.6 用户定义超弹性选项

用户定义选项( TB ,HYPER,,,,USER)允许用户应用子程序USERHYPER来定义应变能势对应变不变量的导数，参见《ANSYS Guide to User Programmable Features》。 4.3.2.7 Mooney-Rivlin超弹性选项(TB,MOONEY)

请注意这一选项适用于HYPER56,HYPER58,HYPER74,HYPER158,PLANE162, SHELL163,SOLID164 等单元。

如果要应用Mooney-Rivlin选项于SHELL181, PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187等单元，请参见§4.3.2.1 。

ANSYS的单元类型HYPER56,HYPER58,HYPER74,HYPER158，应用直到9个Mooney-Rivlin弹性势能函数。如果用户已知2项、3项、5项或9项Mooney-Rivlin常数的值，则可以通过 TB 族命令直接输入，参见《ANSYS Theory Reference》中的Mooney-Rivlin函数。对于这些单元，用户也可以指定材料函数为用户可编程特性，参见《ANSYS Guide to User Programmable Features》。 下面是一个示例：

MP,NUXY,1,0.49999 ! NUXY should be almost equal to, but less than 0.5 TB,MOONEY,1,1 TBDATA,1,0.163498 TBDATA,2,0.125076 TBDATA,3,-0.0047583 TBDATA,4,0.014719 TBDATA,6,0.0003882

! (Constants 5, 7, 8, and 9 default to 0.0 in this example)

对于本选项所要求的材料常数，参见《ANSYS Elements Reference》。

对于任意给定的超弹性材料的Mooney-Rivlin常数，通常在公开文献中查不到。因而，用户可以用 * MOONEY 命令，从一组已知试验数据中自动生成Mooney-Rivlin常数。有时材料制造商可能提供所需的试验数据的一部分或全部，但用户可能发现还需要从试验取得更多的数据。

超弹性材料行为要比金属材料行为复杂得多。超弹性应力-应变关系，通常在拉伸、压缩和剪切变形中明显不同。因此，应用 * MOONEY 命令来生成一般应用的超弹性材料模型时，需要使用所有可能的三种变形模式，即拉伸、压缩和剪切。参见《ANSYS Theory

Reference》中讨论的超弹性测试方法和相应的变形模式。

如果所得到的是一组不完全的数据(如只有单轴拉伸数据)，程序仍然可以确定出可用的超弹性材料特性。然而，在这种情况下，模型变形特征将只限于与测试特征完全一样的。换句话说，测试数据应该代表计算模型中所有变形模式和响应(应变)范围。

上面的劝告只是一个简单的说明。如果用户不知道某一个变形模式或应变范围，就不能准确地预测模型中具有这些变形或应变部分的行为。例如，如用户只知道单轴拉伸测试数据，就不能建立那种有很大剪切变形的模型；如只知道应变值为0%-100%之间的测试数据，就不要建立那种有150%应变的模型。如在计算完成之后用户发现所有测试数据不足以表征模型的响应，唯一的改正办法就是获取更多的测试数据。

用户可用 * MOONEY 命令来自动从实验数据中确定一组Mooney-Rivlin常数。ANSYS确定这些常数以一个数组的形式保存到数据库中。此外，程序还将这些常数以多个 TB 和 TBDATA 命令的格式把Mooney-Rivlin常数写到一个文本文件(Jobrame.TB)中。一旦形成这样的文件，用户就可以在将来的分析用于定义某些相同的Mooney-Rivlin常数。而毋需每次应用 * MOONEY 命令来生成这些常数。 确定和应用Mooney-Rivlin常数

计算并应用Mooney-Rivlin常数有如下五个步骤： 第一步：定义数组 命令：* DIM

GUI：Utility Menu>Parameters>Array Parameters>Define/Edit

用户在使用 * MOONEY 命令(GUI：Main Menu> Preprocessor>Material Props>Mooney-Rivlin>Calc Constants)之前，必须定义数组，在绝大多数情况下，需至少定义六个不同的数组(用户可以给这些数组任意合法的参数名，但为了方便我们在这里应用特定的数组名，如STRAIN、SDTRESS等，用户可以用任何喜欢的有效参数名代替之)。它们是STRAIN, STRESS, CONST, CALC, SORTSN, 和SORTSS。

应变数组(STRAIN) ：这是从材料试验得到的工程应变的数组，分为三列： 第一列：单轴拉伸和/或压缩数据 第二列：等双轴拉伸和/或压缩数据

第三列：剪切数据(平面拉伸和/或压缩数据) 该数组的大小为 N ×3，其中， N 等于在三列测试中数据点个数的最大值。例如，如果从单轴拉伸/压缩数据得到20个数据点，从剪切试验得到10个数据点，则 N =20。即使只用了一种或两种测试，该数组的大小也必须为 N ×3。虽然以升序输入数据点是较好的，但不是必须的。

应力数组(STRESS) ：这是从材料试验得到的工程应力的数组。该数组的大小也是 N ×3，应力数据点的输入顺序必须与应变数据点的输入顺序完全一致。 常数数组(CONST) ：Mooney-Rivlin常数数组的大小为 M ×1， M 为所希望的常数的个数( M 必须为2，5，9三个数之一，如用其它数，则在应用 * MOONEY 命令时，会导致错误信息)。对该数组所作的定义同时就告诉了程序需要生成多少个Mooney-Rivlin常数，* MOONEY 命令自动读取该数组的大小并确定要生成多少个常数，并将其值写入该数组中。

注意 --HYPER84和HYPER86号单元主要是用于模拟可压缩的、泡沫状的高弹体，它们使用Blatz-Ko函数来描述材料特性。将这些单元的KEYOPT(2)设置为1即可选取Blatz-Ko选项，然后用 MP 命令输入合适的 EX 和 NUXY 值，以定义初始的材料剪切模量。对这

两种单元来说，不可压缩超弹性材料选项也是可用的，但只限于2项 Mooney-Rivlin 公式，通常应使用HYPER56、HYPER58、HYPER74、HYPER158(而不是 HYPER84 或 HYPER86)来计算所有的不可压缩超弹性材料。

用超弹性单元作分析时可能对载荷施加的快慢很敏感。在大多数情况下，应缓慢地施加载荷，以避免在收敛过程中，使单元发生过度变形。求解过程中所遇到的每一个问题，都可能是独特的，需要特殊考虑。在加载过程中的不同时间点有时会发生分叉解问题，亦即两个或多个不同的几何外形都具有相同的最小势能，此时可用具有二分的自动时间步长功能[ AUTOTS ，ON]来尽量避免之。 4.3.3 超弹分析实例

shell181采用Mooey-Rivlin超弹性选项

确定Mooney-Rivlin常数的过程

公开文献中通常查不到超弹材料的Mooney-Rivlin常数，因此， Mooney-Rivlin常数系列主要依据实验应力与应变数据导出。

对于超弹材料，通过简单变形测试数据能精确地得到Mooney-Rivlin常数特性。ANSYS程序能从实验数据确定Mooney-Rivlin常数。

测试数据可以由下述六种测试的一种或几种中得出： 单轴拉伸 单轴压缩 等双轴拉伸 等双轴压缩

平面拉伸 (剪切) 平面压缩 (剪切)

确定和应用Mooney-Rivlin常数的GUI过程有四个主要步骤：

1. 定义应力和应变数组 2. 填充应力和应变数组 3. 计算Mooney-Rivlin常数

4. 评价Mooney-Rivlin常数质量

填充应力和应变数组

应力和应变数据需要输入工程应力值和工程应变值。 数组的每列表示一个特定测试类型，如下表所示：

数列 第1列 第2列 第3列 测试类型 单轴拉伸和/或单轴压缩 等双轴拉伸和/或等双轴压缩 剪切（平面拉伸和/或压缩） 填充应力和应变数组

注意应力和应变数组的列与变形模式不是1:1 对应，由表中确定测试数据和每个数列的对应关系。

若没有足够的数据填充所有3个数列，必须保持无数据列的空白。

在ansys的material mdel->Elastic->Hyperelastic->curve fitting, 输入应力应变曲线后，点击对话框下面的Next，在对话框的左侧有一个列表，你可以看到Experients下面是你刚输入的曲线，点击下面的Curve fits后选择Hyperelastic下面的模型中的一个，比如M-R，然后点击右下角的solve就可以了。 计算Mooney-Rivlin常数

Preprocessor > Material Props > Mooney-Rivlin > Calculate Constants

执行GUI函数来计算Mooney-Rivlin常数(见下一幻灯片)。

*MOONEY函数将生成 Mooney-Rivlin 常数并将其储存于3个位置:数据库、CONST数组和指定文件(缺省为jobname.tb文件)。

评价Mooney-Rivlin常数质量

输出窗口出现下述信息：

FOLLOWING TEST DATA TYPES HAVE BEEN SPECIFIED FOR COMPUTING 5 TERM MOONEY-RIVLIN SERIES

TYPE OF TEST DATA # OF DATA POINTS ----------------- ----------------

UNIAXIAL 9 EQUIBIAXIAL 0 SHEAR 15

ROOT MEAN SQUARE (RMS) ERROR AND COEFFICIENT OF DETERMINATION (COD) FOR 2, 5 AND 9 TERM SERIES

# OF TERMS COEFFICIENTS COMPUTED RMS ERROR (%) COD ---------- --------------------- ------------- ------

2 C10,C01 0.1496E+02 1.0000 5 C10,C01,C20,C11,C02 0.9439E+01 1.0000 9 C10,C01,C20,C11,C02, 0.7240E+01 1.0000 评价Mooney-Rivlin常数质量

输出窗口出现下述信息（续）：

The user has chosen 5 term series for which the following constants have been computed

C10 = -0.547267E+00

C01 = 0.699294E+00 C20 = 0.165070E+01 C11 = -0.249608E+01 C02 = 0.845377E+00

*** WARNING *** C02 IS NON-NEGATIVE. *** CHECK RESULTS CAREFULLY *** 评价Mooney-Rivlin常数质量

均方根误差(RMS 误差)和相关系数(COD)是曲线拟合质量的统计评价。以百分数表示的均方根误差应接近于零，相关系数要小于并接近于1（通常大于0.99或更好)。

如果计算Mooney-Rivlin常数时没有满足约束条件，输出文件也出现一些警告信息。 评价Mooney-Rivlin常数质量

除了检查均方根误差和相关系数，也可以画出计算出的应力-应变数据曲线与实际应力-应变数据曲线进行比较 。

分两个步骤进行 -

? 计算应力和应变值

? 画出计算值与实验值比较曲线

/solu alls nsel,s,loc,y,0 d,all,all,0 alls nsel,s,loc,x,0 d,all,ux,0 d,all,uz,0 alls nsel,s,loc,y,h3 d,all,ux,0 d,all,uz,0 d,all,uy,-d alls antype,static nlgeom,on nropt,,,on outpr,all,all outres,all,all autots,on time,1

deltim,0.03,0.01,0.3 cnvtol,f,,0.02,2 lnsrch,on pred,on alls solve fini

4.3.3 超弹分析实例 4.3.3.1 问题描述

一个由铁板和橡胶体所构成的物体（ 图4.17 ），其底面固定，顶面受一垂直向下的均匀位移，分析所需要提供的外力与顶面位移的变化关系。由于结构和载荷都是轴对称的，因此我们取一截面，对它进行轴对称分析。由于结构变形很大，橡胶体与铁板之间可能发生接触，因此在分析中应考虑到接触。

4.3.3.2 问题详细说明

铁板材料特性：

Ex=2e5 (泊松比)＝0.3 橡胶体材料特性： (泊松比)＝0.499 单轴压缩时的实验数据：

应变 -0.45 -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 应力 -256 -128 -64 -32 -16 -8 -4 -2 -1 单轴拉伸时的实验数据： 应变 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 应力 0.0 1 1.5 2.0 2.9 3.6 5 7.5 9.7 17

图4-17 问题描述图

4.3.3.3 分析过程（GUI方法）

步骤一：建立计算所需要的模型

在这一步中，建立计算分析所需要的模型，包括定义单元类型，创建结点和单元，并将数据库保存为

“hypelastic.db”，在此对这一过程不再详细。 步骤二：恢复数据库文件 “ hypelastic.db ”

Utility menu：file>Resume from

步骤三：定义材料性质

1、选“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”。出现“Define Material Model Behavior”

对话框，选择Material Model Number 1。

2、在“Material Models Available”窗口，双击“Structural->Linear->Elastic-> Isotropic”。出现一个对话框。

1、对泊松比（NUXY）键入0.499。

2、单击OK。

3、在“Define Material Model Behavior”对话框的菜单中，选择Material->New Model，弹出对话框，在Define

Material ID中输入2，然后单击OK。 出现Material Model Number 2。

4、对弹性模量（EX）键入2e5 5、对泊松比（NUXY）键入0.3

6、单击ＯＫ。

步骤四：定义数组并输入相应的实验数据。

1、择菜单路径：utility menu>Parameters,在其下拉菜单中，将鼠标指向Array Parameters, Array

Parameters的下拉菜单出现。 2、Define/Edit,对话框出现。

3、在对话框中单击Add，另一对话框出现。

4、指定Parameter name 为strn 。 5、对No. of rows,cols,planes,依次输入19，3，1 6、单击Apply,结束此对话框的输入，另一相同的对话框出现。

7、在对话框中指定Parameter name 为strss 。 8、对No. of rows,cols,planes,依次输入19，3，1

9、单击OK,结束此对话框的输入，回到Array Parameters对话框。 10、选择数组strn，然后单击Edit,给数组赋值的对话框出现。

11、在数组的第一列依次输入单轴压缩与拉伸的实验应变数据，然后选择菜单路径File>Apply/Quit,结束应

变实验数据的输入。

12、在Array Parameters对话框中选择数组strss，然后单击Edit,给数组赋值的对话框出现。 13、在数组的第一列依次输入单轴压缩与拉伸的实验应力数据，然后选择菜单路径File>Apply/Quit,结束应

力实验数据的输入。 步骤五：计算MOONEY常数

1、选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Mooney-Rivlin> Define Table对话框出现。 2、在Material reference number（材料参考号）中，键入1, 在Number of tempratures中，键入1，然

后单击OK。

3、择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Material props>Mooney-Rivlin> Calculate constant 。对话框

出现。

4、Number of Mooney-Rivlin const，选择5。

5、定strain data array 为strn, 指定stress data array 为strss。

6、单击OK。 步骤六：进入求解器

选择菜单路径Main Menu>Solution

步骤七：加载

根据所给条件，施加适当的约束和载荷。在此不作详述，参考命令流文件。

步骤八：定义分析类型和分析选项：

1、选择菜单路径Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis.

2、单击“Static”来选中它然后单击OK。

3、择菜单路径Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options。 Analysis Options对话框出

现。

4、单击Large deform effects option(大变形效应选项）使之为ON， 然后单击OK。

步骤九：设置输出控制选项

1、选择菜单路径：Main Menu > Solution>Unabridged Menu >Load step opts-Output ctrls > Solu

Printout。对话框出现

2、在“Item”中，选择“all items” 3、对“FREQ”,选择“Every Substep”

4、单击OK

5、选择菜单路径：Main Menu > Solution>Unabridged Menu >Load step opts-Output ctrls > DB/Resuls

File：对话框出现

6、在“Item”中，选择“all items” 7、对“FREQ”,选择“Every Substep”

8、单击OK 步骤十：设置载荷步选项

1、选择菜单路径Main Menu> Solution>Unabridged Menu>Load step opts-Time/Frequenc> Time and

substps。对话框出现。

2、对time at end of load step（载荷步终止时间）键入1

3、对“DELTIM”(Time step size) 输入0.03 4、将“AUTOTS”(automatic time stepping)设置为ON

5、对 Mininim time step size 输入0.01 6、对 Maxinum time step of size 输入0.3

步骤十一：打开时间步长预测器

1、选择菜单路径Main Menu> Solution>Unabridged Menu>Load step opts-Nonlinear> Predictor。

2、将predictor的状态设置为“ON”。

步骤十二：打开线性搜索

1、选择菜单路径Main Menu> Solution>Unabridged Menu>Load step opts-Nonlinear> Line Search。

2、将LNSRCH的状态设置为“ON”。

步骤十三：设置收敛性控制

1、选择菜单路径Main Menu> Solution>Unabridged Menu>Load step opts-Nonlinear> Convergence

Crit，对话框出现。

2、单击Add,下一级对话框出现。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g6dh.html