頸縮
關注創建者：君成序 創建時間：2019-06-23
頸縮的視頻教程
頸縮的實例教程
分析類型：基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現象模擬
分析平臺：ANSYS17
技術難點：損傷力學 GTN模型 拉伸頸縮
關鍵詞：損傷力學 GTN模型 拉伸頸縮 孔洞生長和聚合
完成人：技術鄰ANSYS專家
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
技術背景：延性金屬的微觀損傷
工程意義：金屬損傷
研究對象：金屬圓桿
模擬過程：金屬材料拉伸頸縮現象模擬
GTN模型的適用范圍：延性金屬
微觀尺度的孔洞形核 生長和聚合模型
孔洞的演化方程
微觀塑性應變的演化方程
孔洞的形核有兩種：應力和應變
GTN模型的屈服準則
單元建模：
采用軸對稱
金屬干的軸對稱模型
GTN模型的材料定義
分析類型：靜力分析，（動態分析還沒有做，后續做出來再show一下）
邊界條件：下端固定，上端施加位移
計算結果
基于GTN損傷模型的延性金屬拉伸頸縮現象模擬
載荷位移曲線
后續可進一步的研究：
1、基于GTN的動態損傷、斷裂分析和裂紋擴展研究
2、動力學的GTN模型分析
作者說明：
ANSYS采用GTN的本構，利用宏觀的有限元方法實現模擬微觀尺度的延性金屬的損傷過程，但無法顯示孔洞的形核 生長 聚合甚至裂紋形成等微尺度信息，但可以從宏觀角度以較少的計算費用實現結構的損傷分析，相比于分子動力學，這個方面的優勢非常明顯。
另外分享一個基于分子動力學（MD)的金屬拉伸的孔洞形核、生長和聚合的數值仿真案例
展開 頸縮是指在拉伸應力下，材料可能發生的局部截面縮減的現象。通常用于在有些擠塑情況中，當擠出物離開模口時會產生這種現象，結晶性纖維和像聚乙烯之類的一些半結晶熱塑性樹脂在接近屈服點的臨界應力作用下，也會出現這種現象。
本案例基于COMSOL軟件仿真了金屬棒單軸拉伸過程中的頸縮現象，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎交流
定義有效應力為
文獻模擬的結果展示
為了驗證幾種理論的優勢作者與DIC實驗進行了比較
作者最終分析指出：基于應變的損傷模型，即主應變損傷模型、等效塑性應變損傷模型和最大剪切應變損傷模型，準確地預測了實驗獲得的應力-應變關系和頸縮后承載能力的突然下降。然而，基于應力的損傷模型，即應變能損傷模型，不能準確預測頸縮行為。預測的頸縮應變、變形形狀和頸縮方向也與實驗結果進行了比較。預測的頸縮形狀（即頸縮區域的長度和最小片材厚度）的最大誤差約為24%。在三種基于應變的損傷模型中，最大剪切應變損傷模型預測頸縮角最準確，誤差為12%。結果表明，具有損傷模型的CPFEM可以合理地預測頸縮行為和頸縮方向，而沒有任何初始缺陷。
展開 圖2 1050℃應力-應變曲線(按長度L 變化)
圖解法修訂應力-應變曲線
1050℃拉伸試樣如圖3 所示，拉伸試驗過程中以頸縮變形為主，頸縮開始后為集中變形階段，因此真實應力-應變曲線以直徑變化計算最為貼近實際變化。
圖3 1050℃高溫拉伸試樣
如上，如果需要獲取頸縮截面的截面直徑，但是配備類似引伸計的實驗室非常少。本文選擇劉秉余在《真實應力-應變曲線的一種圖解求法—縮頸過程分析》中計算分析得到的一種針對縮頸過程的圖解求法，來進行高溫拉伸過程中的真應力-應變曲線修正。
圖解求法如圖4 所示，認為試樣的最小縮頸截面在拉伸過程中，所掃過的區域是一個錐面向外凸的虛擬圓錐體，此虛擬圓錐體與圓柱形光滑拉伸試樣，拉伸斷裂后獲得的圓錐形縮頸體是完全不同的兩個圓錐體。在計算圓柱形光滑拉伸試樣拉伸斷裂后的真實應力-應變曲線時，選用外凸的虛擬圓錐體參與計算，這個虛擬圓錐體由最小縮頸截面與縮頸最上端母線交點的軌跡線來確定。
圖4 斷裂試樣的輪廓線與軌跡線
在圖解法求解過程中，只需計算和測量斷裂處試驗材料的抗拉強度σ
b 時變形量△L 和試樣斷裂時的伸長L
斷和半徑r
斷，把兩點的坐標連成直線作為軌跡線，進而求取圓柱形光滑拉伸試樣在拉伸過程中的真實應力-應變曲線。
試驗結果：1050℃光滑圓柱拉伸試樣檢測，斷裂處伸長量為2.34mm，斷裂后伸長量為10.15mm，斷后半徑r
斷為2.38mm。按圖解法進行近似求解，試樣在頸縮開始至結束，半徑的變化式為r=-0.8594×△L+4.721，式中r 為試樣縮頸處瞬時半徑，L 為頸縮開始后試樣圓錐面伸長量。修正后真實應力-應變曲線如圖5 所示。
展開 頸縮
隨著應力的增加，塑性變形繼續發生。在適當的時候，將在桿上的一點處觀察到橫截面變窄。這種現象稱為頸縮。應力如此之高，導致在桿的最薄弱點形成頸部。
應力應變曲線還顯示了發生頸縮的區域。它的起點也為我們提供了材料的極限抗拉強度。
極限抗拉強度表示材料可以承受的最大應力。達到此值會將材料推向失效和斷裂。
斷裂
一旦進入頸縮區域，我們可以看到載荷不必增加以進行進一步的塑性變形。
頸部會發生斷裂，通常在桿的兩端形成杯形和錐形。該點稱為斷裂點或斷裂點，在應力應變圖上用 E 表示。
依托國家工程實驗室、院士工作站的專家豐富的工作經驗，及先進的力學測試成套制備設備如高速拉伸機，國高材可為您提供專業的材料應力-應變曲線，詳情：13798034445
展開 
頸縮的最新內容
這種微觀機制使得聚合物在宏觀上表現出極其復雜的力學特征：強烈的靜水壓敏感性（拉壓屈服不對稱，壓縮屈服強度往往遠高于拉伸）、顯著的粘彈性/粘塑性耦合響應、極低應變率下的頸縮后冷拉（Cold Drawing）現象，以及伴隨微裂紋（Crazing）與剪切帶（Shear Banding）競爭的損傷演化。
在構建聚合物材料卡片時，傳統的金屬本構模型完全失效。
并不簡單的彈塑性本構子程序6個月前
拉伸破壞過程
隨著載荷增加，試驗件中間位置出現出現“頸縮”，變形達到一定程度，試驗件斷開。
，局部應變率要遠高于平均值，遠離頸縮區域的要低以平均值。
[圖片]
7) 真實應力的遞增：塑性材料數據中的真實應力（σtrue）應呈遞增趨勢，不應包括頸縮后數據點，以避免應力-應變曲線下降段導致的收斂問題。
8) 塑性應變的設定：塑性數據的最后一行應包含的塑性應變值應大于模型中可能出現的最大塑性應變，確保應力-應變曲線始終向上傾斜。
9) 近似應力-應變曲線：如果無法獲得材料的實驗數據，可根據材料手冊中的屈服應力等數據構造近似的應力-應變曲線。
挑戰
? 可視化之部件/嵌件的應力和位移分布
? 在某些外部載荷下評估塑性變形
? 評估焊接線區域周圍的機械強度
? 考慮纖維排向效應評估結構弱點
Moldex3D 解決方案
? 預測潛在的變形問題，以評估材料性能和成型條件
? 考慮縫合線效應，以更準確預測強度衰減區域
在Z-位移輪廓圖中可以觀察到嚴重的頸縮現象
? 考慮纖維排向效應對部件收縮和強度的影響
其中，應力三軸度代表了空穴聚合機制相對于剪切帶機制在斷裂 中所占的優勢，當材料處于高應力三軸度(η >1/3) 時，空穴聚合斷裂機制占主導地位，盡管其中也存 在剪切帶斷裂機制，但宏觀上仍表現為頸縮(拉伸) 型斷裂；當處于低應力三軸度(η ≤1/3)時，宏觀上 表現為剪切型斷裂。
近年來，PCB 走線的電流密度和電源平面層上不同區域之間的直通頸縮不斷增加，使得焦耳（或歐姆）加熱成為 PCB 設計中一個越來越嚴重的問題，對電路板的電氣性能和熱性能都有影響。為了幫助電子設計人員應對這個 問題，西門子在布局和布線工具集之外推出了HyperLynx Thermal和HyperLynx PI軟件（用于電源完整性）等精密分析工具。
線性
材料的線性：金屬的應力應變曲線，如下圖所示，通常分為四個階段：彈性階段、屈服階段、應變硬化階段和頸縮斷裂階段。線性表示材料線性彈性行為階段elastic behavior，應力-應變曲線僅考慮線性的部分。
大多數多晶體金屬的拉伸試驗的延性斷裂有三個明顯的階段：首先，試樣開始出現局部“頸縮”，并在“頸縮”區域產生小的分散的空穴；接著這些小空穴不斷增加和擴大并聚合成微裂紋，裂紋方向一般垂直于拉應力方向；最后，裂紋沿剪切面擴展到試件表面，剪切面的方向與拉伸軸線近似成45°。斷裂形態是典型的“杯錐”失效斷面。
