解決方案 | DEFORM常見問題:應變值不變


在變形中,有一種相對常見的情況:零件變形,但有效應變保持為0,其他變量(如應力)的行為異常。報錯信息如圖1所示,工件的單元應力為0。(注:圖-1所示錯誤多發生在用戶自定義材料中,因此用戶首先要確認輸入的材料參數是否符合材料本構模型。)當應變率非常小時,應變值不變的問題很常見,并且與被稱為"極限應變率"的值相關。

解決方案 | DEFORM常見問題:應變值不變的圖1


圖1 單元應力為0的錯誤信息


01

什么是極限應變率?


DEFORM中,剛塑性有限元算法是因變形而在單元中產生的應力。在剛塑性模型中,如果一個單元沒有塑性變形,那么該單元的應力是不明確的。然而良好的收斂,需要一致的應力。

為了改善收斂,DEFORM 使用被稱為“極限應變速率(LMTSTR)”的值來識別零件的剛性或幾乎剛性區域,并計算變形率接近零的區域的流動應力。 


一般來說,流動應力和應變率之間的關系是非線性的,由流動應力定律定義。 在低于極限應變速率的值下,可假定流動應力和應變率關系在0和解決方案 | DEFORM常見問題:應變值不變的圖2解決方案 | DEFORM常見問題:應變值不變的圖3極限應變率)下的流動應力之間是線性的。


根據計算目的,應變率低于極限應變率的單元被視為“剛性”。它們不會計算應變,并且報告的有效應力可能相當低。


02

如何計算極限應變率?


極限應變率保持是指“平均應變率”的固定比率。該比率在前處理器工件屬性中進行定義,通常為100:1。

■ 低于LMTSTR的應變率流動應力是基于從0到LMTSTR流動應力之間的線性擬合計算。
■ 在每個變形時間步數中,計算所有變形單元的平均應變率,此后更新的值便會重新計算極限應變率。
■ 對于應變率低于LMTSTR的單元,應變和損傷值不會增加。

03

為什么這會引起問題?


如果模擬中每個單元的應變率都小于極限應變率,那么平均應變率將不會被重新計算,極限應變率也不會被重新計算。

這對于剛體運動的模擬是必要的,例如零件在模具中下降的早期階段可能就會發生此類情況。


然而,當變形速度足夠慢,單元發生變形,但仍然低于極限值時,就會產生問題。若零件沒有顯示出應變,可能會出現相當大的變形。 


04

此問題如何解決?


對于變形速率較慢的模擬,必須在模擬開始前重新定義平均和極限應變率。  

■ 每個塑性工件的值都在屬性對話框中設置,平均應變率可以由V/L來估計,其中V為模具速度,L為零件的特征變形長度。
■ 極限應變率通常應定義為平均應變率的1/100。
■ 用戶可以參照圖2所示,從DEFORM的前處理器的界面進行平均應變率和極限應變率的設置,當然也可以利用文本編輯器打開KEY文件,進行參數修改,如圖3所示。
解決方案 | DEFORM常見問題:應變值不變的圖4


圖2 平均應變率和極限應變率設置


解決方案 | DEFORM常見問題:應變值不變的圖5

圖3 KEY文件中平均應變率和極限應變率設置


模擬除外,工件的剛性部分將看到高持續應力低于屈服應力,例如機械切削加工模擬和自由擠壓。在這些情況下,剛性區域可能傾向于在持續的應力下“蠕變”。此時,應使用比平均應變率小5個數量級的極限應變速率。 


05

如何計算不同條件下的平均應變率?


LMTSTR保持是指平均應變率AVGSTR的恒定比率。在每個計算方案步驟之后,AVGSTR將重新計算為所有變形單元的非加權平均值。然后,根據前處理器中最初定義的比率重新計算LMTSTR。

對于典型的模擬 AVGSTR和LMTSTR之間的2個數量級比率是合適的(即AVGSTR = 1,LMTSTR = 0.01)。
■ 對于應變率極低的仿真: 應根據AVGSTR = V/h來計算平均應變率,其中V是特征成形速度(即模具或沖孔速度),h是特征工件高度。LMTSTR = 0.01* AVGSTR。

■ 對于涉及工件非變形區域大的恒定應力的模擬:剛性區域可能會稍微“漂移”,從而造成小而潛在的重大誤差。對于這種類型的模擬,可使用5個數量級比率(即AVGSTR = 1,LMTSTR = 1e-5),典型情況例如自由擠出和切削仿真

解決方案 | DEFORM常見問題:應變值不變的圖6

圖4 流動應力與極限應變率的比較


06

總結


■ 在出現應力為0的情況時: 多數情況在用戶自定義材料參數時出現,主要是少設置參數,此時可以針對同一模型,換成DEFORM材料庫的材料進行模擬確認。
■ 在出現應變為0的情況時: 如果是用戶自定義材料參數,同樣是再更換為材料庫中的材料,對問題進行確認,如果是本身就是使用材料庫文件,就使用本文中的建議,修改平均應變率AVGSTR和極限應變率LMTSTR。
■ 這2個參數涉及工件變形較慢的工況時: 建議調低極限應變率LMTSTR。

■ 涉及快速變形的剛性“漂移”時調低極限應變率LMTSTR到1e-5。

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