ansys高溫拉伸的案例
SLM制造MTS高溫拉伸夾具
由于一些特殊行業(yè)對(duì)材料超高溫情況下的力學(xué)性能有較高的要求，現(xiàn)有的拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具多由金屬材料壓力加工而成，在高溫加壓過程中會(huì)過早出現(xiàn)屈服失效的現(xiàn)象。例如，在測(cè)量IN718合金的高溫蠕變性能（700℃）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)鋼夾具很容易斷裂；再者，不穩(wěn)定的夾具在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性也無法保證，這對(duì)于本就存在一致性風(fēng)險(xiǎn)的3D打印零件測(cè)試，更是雪上加霜。
為了準(zhǔn)確量化性能，美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院（AFIT）的研究人員對(duì)MTS夾具進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并利用SLM技術(shù)制造，使其具有了更高的熱轉(zhuǎn)換率，減小了高溫蠕變過程中夾具的熱應(yīng)力，從而降低了夾具開裂的概率。
MTS夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)
3D打印在制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件方面具有優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)不僅可以用在隨形冷卻水路模具的制造方面，同時(shí)也可用來制造具有冷卻流道的夾具。
CFD模擬散熱
為了對(duì)比3D打印和傳統(tǒng)制造的MTS夾具的散熱效果，研究人員對(duì)此進(jìn)行了仿真。將兩種模型零件導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件，進(jìn)行基于動(dòng)量、能量和連續(xù)性方程額系統(tǒng)焓值計(jì)算，總焓值的變化即為系統(tǒng)的散熱效果。
通過比較兩種模型的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)3D打印的MTS夾具的焓值變化更高，是傳統(tǒng)工藝夾具的2.87倍，溫度分布也更為均勻。
MTS夾具制造
模型留有4mm的余量，用于補(bǔ)償與基板分離時(shí)的偏差，基板材料為鋼。打印采用孤島掃描策略，后處理過程包括線切割，表面磨削，以及關(guān)鍵位置的鉆孔等。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試
AFIT研究人員將SLM成形的MTS夾具安裝于22 KIP 810 MTS?，去離子水作為冷卻劑，流速為13.5mL/sec，冷卻劑溫度為22℃，夾緊壓力為6.8 MPa，拉力為1000N，蠕變溫度為700℃。
展開 XM-12 不銹鋼試樣高溫拉伸試驗(yàn)解析
XM-12 材料鍛造過程中的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以為鍛造工藝編制提供有效的數(shù)據(jù)支持，然而高溫檢測(cè)過程中，試樣有效加熱部分隨試樣延長(zhǎng)率變化而變化，且拉伸過程以頸縮變形為主，為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測(cè)試帶來很大難度，且通過伸長(zhǎng)率計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際存在較大的偏離。因此，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的準(zhǔn)確修正在XM-12 不銹鋼鍛造工藝優(yōu)化過程中非常重要。
XM-12 銅沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，廣泛應(yīng)用于石油開采機(jī)械制造，執(zhí)行ASTM A705-2017《Standard Specification for Age-Harding Stainless Forging》標(biāo)準(zhǔn)(含)。通過合金元素Cr、Ni、Cu、Nb 等合金元素的加入，XM-12 不銹鋼擁有良好的耐腐蝕性和良好的機(jī)械性能，低溫?cái)嗔秧g度非常好，其化學(xué)成分要求如表1 所示。
表1 XM-12 化學(xué)成分要求(wt%)
XM-12 不銹鋼材料，因其合金含量較高，鍛造過程中存在熱態(tài)變形抗力大，鍛造溫度區(qū)間窄，表面易開裂等特點(diǎn)。因此材料在高溫過程中的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測(cè)試在其鍛造工藝優(yōu)化過程中非常重要。
XM-12 材料高溫拉伸試驗(yàn)檢測(cè)溫度范圍：900 ～1200℃。普通的試驗(yàn)機(jī)無法滿足，因此此次試驗(yàn)選擇Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行光滑圓棒試樣的拉伸試驗(yàn)。拉伸試樣圖如圖1 所示。
圖1 拉伸試樣尺寸
高溫拉伸測(cè)試
本文以1050℃拉伸結(jié)果為分析對(duì)象，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正分析，試樣實(shí)測(cè)直徑
φ9.98mm。
試驗(yàn)時(shí)，先將試樣以10℃/s 的加熱速度加熱至1180℃，保溫120s；以5℃/s 的冷卻速度將試樣降溫至1050℃，以3mm/s 的速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。為確保試樣拉斷，夾塊位移選擇15mm(試樣有效加熱區(qū)20mm)。
展開 用Ansys分析高溫下鋼結(jié)構(gòu)的受力性能。
用Ansys分析高溫下鋼結(jié)構(gòu)的受力性能。
無懼高溫——Ansys nCode DesignLife進(jìn)行熱-機(jī)疲勞分析詳解
介紹在Ansys Workbench平臺(tái)下，采用Ansys Mechanical & Ansys nCode DesignLife開展結(jié)構(gòu)熱-機(jī)疲勞的基本原理、方法、流程以及注意事項(xiàng)，并附贈(zèng)相關(guān)案例DEMO。
改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展分析 - ANSYS Workbench ￥3
改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的逐步疲勞裂紋分析。
步驟 1：概述
這項(xiàng)工作的主要目的是提出混合模式載荷下線性彈性材料中裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進(jìn)的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的影響。
ANSYS Mechanical（工作臺(tái)）利用 ANSYS 中的一項(xiàng)新功能即智能裂紋擴(kuò)展技術(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)恒定幅值載荷條件下的裂紋擴(kuò)展路徑和相關(guān)的疲勞壽命。
在線彈性斷裂力學(xué) (LEFM) 假設(shè)下，采用巴黎定律模型評(píng)估具有不同 MCTS 配置的改進(jìn)緊湊拉伸試樣 (MCTS) 的混合模式疲勞壽命。該方法涉及通過增量裂紋擴(kuò)展分析準(zhǔn)確評(píng)估應(yīng)力強(qiáng)度因子 (SIF)、裂紋擴(kuò)展路徑和疲勞壽命評(píng)估。
疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果表明，疲勞裂紋始終被孔吸引，因此要么它只能彎曲路徑并向孔擴(kuò)展，要么它只能從孔中浮出并在孔消失后進(jìn)一步擴(kuò)展。就混合型載荷條件下裂紋擴(kuò)展的軌跡而言，本研究的結(jié)果與文獻(xiàn)中發(fā)表的幾項(xiàng)裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相一致，這些實(shí)驗(yàn)顯示了類似的觀察結(jié)果。
本教程主要基于 Abdulnaser M. Alshoaibi 和 Yahya Ali Fageehi 的論文“線性彈性材料疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值分析和壽命預(yù)測(cè)”。
第 2 步：設(shè)置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析：
步驟3：工程數(shù)據(jù)（材料模型）
本教程選定的材料是“SAE 1020 碳鋼”。
材料模型由各向同性彈性、拉伸屈服強(qiáng)度、拉伸極限強(qiáng)度和巴黎定律參數(shù)（C 和 m）組成。
展開 ANSYS鋼材拉伸模擬程序
鋼材拉伸模擬.pdf
改進(jìn)型緊湊拉伸試樣疲勞裂紋擴(kuò)展分析-ANSYS Workbench ￥3
研究的主要目標(biāo)是展示裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值模型，并研究孔洞對(duì)改進(jìn)型緊湊拉伸試樣（MCTS）在恒定振幅載荷條件下疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的影響。研究使用了ANSYS Mechanical (Workbench)軟件，利用ANSYS中的智能裂紋擴(kuò)展技術(shù)來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展路徑和相關(guān)的疲勞壽命。巴黎定律模型被用來評(píng)估不同配置的MCTS在線性彈性斷裂力學(xué)（LEFM）假設(shè)下的混合模式疲勞壽命。這種方法涉及準(zhǔn)確評(píng)估應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIFs）、裂紋擴(kuò)展路徑，并通過增量裂紋擴(kuò)展分析進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果表明，疲勞裂紋總是被孔洞吸引，因此它要么只能彎曲其路徑并向孔洞擴(kuò)展，要么只能在孔洞丟失后從孔洞處漂浮并進(jìn)一步擴(kuò)展。在混合模式載荷條件下的裂紋擴(kuò)展軌跡方面，本研究的結(jié)果與文獻(xiàn)中發(fā)表的幾項(xiàng)裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，這些實(shí)驗(yàn)觀察到了類似的結(jié)果。
3. : Setup
拖動(dòng)Static Structural Analysis 到 ANSYS Workbench中:
4. : Engineering Data (Material Model)
o 選擇的材料為"SAE 1020 Carbon Steel".
展開 Ansys案例研究 | 單軸拉伸試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量
概述：
單軸拉伸試驗(yàn)是了解大多數(shù)材料并獲取應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的主要方法。可靠的拉伸數(shù)據(jù)對(duì)于組件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本案例展示了如何進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并獲取應(yīng)變圖。
目標(biāo)：
觀察在施加漸進(jìn)式位移載荷的單軸拉伸試樣中的應(yīng)變。
步驟：
1、打開Ansys Workbench，創(chuàng)建一個(gè)“靜態(tài)結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)。
2、定義拉伸試驗(yàn)樣品的材料屬性。本例中使用的是結(jié)構(gòu)鋼。
3、導(dǎo)入模型，其外觀類似于圖 1 所示。
圖1 單軸拉伸試驗(yàn)試樣
4、將材料分配給幾何體。
5、按照?qǐng)D2所示，在試件上施加適當(dāng)?shù)募s束條件。
圖2 樣品的邊界條件
6、按照?qǐng)D2所示施加位移。
7、對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并運(yùn)行仿真。繪制等效彈性應(yīng)變(圖3)。
圖3 等效彈性應(yīng)變圖
總結(jié)：
本案例說明了單軸拉伸試驗(yàn)樣品中應(yīng)變的測(cè)量方法。
如有疑問歡迎留言或私信！
展開 Fepg-Ansys三維靜力單軸拉伸對(duì)比
Z軸方向的位移
Fepg計(jì)算結(jié)果
Ansys計(jì)算結(jié)果
（2）計(jì)算時(shí)間比較
Fepg計(jì)算時(shí)間：138.74s
Ansys計(jì)算時(shí)間：267.48s
基于ANSYS ls-dyna拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M
基于ANSYS ls-dyna拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M
作者：大龍貓 微信公眾號(hào)：CAE_ANSYS
拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)是測(cè)試材料的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，可以測(cè)量材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，測(cè)量材料的抗拉強(qiáng)度，作為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)如何獲取其模擬過程呢？仿真分析軟件AYSYS在默認(rèn)的情況下，無論受力多大都不會(huì)被拉斷，其主要原因是算法的問題。
利用ANSYS/LS-DYNA的SPH-FEM耦合拉伸模擬
基于以上考量，本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行了SPH-FEM耦合算法的拉伸試驗(yàn)?zāi)M。
2、模型設(shè)置
分析模型如下圖所示，拉伸件兩端采用殼單元，中間段采用SPH粒子法劃分。粒子與殼單元接觸段采用tie功能進(jìn)行綁定，以實(shí)現(xiàn)FEM與SPH之間的耦合計(jì)算。
由于采用了耦合算法，還需要對(duì)殼單元和SPH粒子進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，具體內(nèi)容如下：
對(duì)于模型的材料設(shè)置，考慮到模型的形狀，斷裂破壞肯定會(huì)發(fā)生在中間粒子區(qū)域，而模型的兩端殼單元區(qū)域?qū)儆诩虞d區(qū)域，不會(huì)發(fā)生破壞，也不是本次模擬的關(guān)心區(qū)域，因此為了進(jìn)一步提高求解效率和節(jié)約求解資源，模型將殼單元區(qū)域賦予剛體材料模型，即不考慮模型兩端的變形情況。粒子區(qū)域的具體材料參數(shù)如下圖所示：
為模擬拉伸工況，本次模擬中將模型的一端殼單元的自由度全部約束，使其成為固定端，在另一端殼單元采用線性位移加載，加載曲線如下圖所示：
除此之外，還需要設(shè)置相關(guān)的輸出，計(jì)算終止時(shí)間等內(nèi)容，在此不進(jìn)行一一贅述。模型攝制完成之后即可導(dǎo)出K文件，利用ANSYS/LS-DYNA求解器進(jìn)行求解。
3、結(jié)果分析
以上為拉伸件的塑性應(yīng)變隨時(shí)間的分布圖，可以看出斷裂發(fā)生在預(yù)期位置，證明了采用SPH-FEM耦合方法進(jìn)行聯(lián)合仿真是可行的。SPH-FEM耦合的方法，吸收了FEM法計(jì)算效率高和SPH法模擬大變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以為大變形的材料仿真如切削等提供一種高效、準(zhǔn)確的途徑。
展開 
ANSYS與材料力學(xué)之軸向拉伸和壓縮（三）
對(duì)于該結(jié)構(gòu)，
σ
max=10MPa
τ
max=5MPa
二、ANSYS解法：
下面，我們用ANSYS驗(yàn)證一下材料力學(xué)解法的準(zhǔn)確性。通過該例子，學(xué)習(xí)在ANSYS中怎么提取任意截面上的應(yīng)力。
1.確定分析類型：根據(jù)例題所示結(jié)構(gòu)，確定分析類型為靜力學(xué)分析；
2.通過對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，我們需要提取任意截面上的切應(yīng)力和正應(yīng)力，所以我們使用solid單元進(jìn)行計(jì)算。
Step1：
在SCDM中創(chuàng)建平面模型。
首先，我們?cè)赟CDM中建立一個(gè)橫截面是邊長(zhǎng)10mm的正方形，長(zhǎng)度為100mm的長(zhǎng)方體。建立完成以后，點(diǎn)擊菜單欄Workbench→ANSYS transfer→2020R1進(jìn)入Workbench。
Step2：創(chuàng)建分析流程。
將Static Structural拖入Project Schematic，并與剛才導(dǎo)入的幾何建立聯(lián)系。雙擊Model進(jìn)入Mechanical。
Step3：
創(chuàng)建局部坐標(biāo)系。
我們想提取提取任意截面上的應(yīng)力，必須先創(chuàng)建好截面，然后把結(jié)果映射在截面上。而截面的創(chuàng)建，是依靠坐標(biāo)系的xy平面，所以在創(chuàng)建截面前，應(yīng)先創(chuàng)建合適的局部坐標(biāo)系。
展開 ANSYS與材料力學(xué)系列教程之軸向拉伸和壓縮（五）
根據(jù)推導(dǎo)出的應(yīng)變能計(jì)算公式，該結(jié)構(gòu)中總的應(yīng)變能為：
Vε=2*(FN^2*L)/2EA=
64.67J
根據(jù)彈性體的功能原理，載荷P做的功數(shù)值上等于結(jié)構(gòu)總的應(yīng)變能，即：
W=1/2*P*△A=Vε
△A=0.0012934m=1.2934mm
ANSYS解法：
該題的ANSYS解法，只需在上篇文章的ANSYS結(jié)果基礎(chǔ)上，提取一個(gè)應(yīng)變能結(jié)果。
Step1：求解設(shè)置。
提取應(yīng)變能結(jié)果，需要打開Beam Section Results，方法是：點(diǎn)擊Solution，在Details of Solution的Post Processing中，將Beam Section Results設(shè)置為Yes。
Step2：提取應(yīng)變能結(jié)果。
選擇Results→Energy→Strain Energy，然后右擊Solution（A6），選擇Eevaluate All Results，提取結(jié)果。計(jì)算結(jié)果如下圖二。
結(jié)論：
①材料力學(xué)方法計(jì)算的總應(yīng)變能為64.74J，ANSYS計(jì)算的總應(yīng)變能結(jié)果為64.723J，兩者基本一致。
②使用彈性體的功能原理求解該題，更加方便快捷，這種方法也稱為能量法。
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展開 ANSYS與材料力學(xué)系列教程之軸向拉伸和壓縮（七）
通過計(jì)算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)材料力學(xué)計(jì)算的結(jié)果為：F點(diǎn)位移1.618mm；ANSYS計(jì)算結(jié)果為：F點(diǎn)位移1.6181mm，結(jié)果基本一致。
總結(jié)：
1. ANSYS計(jì)算結(jié)果與材料力學(xué)計(jì)算結(jié)果基本一致。
2. 載荷作用在F點(diǎn)時(shí)，A點(diǎn)位移為1.618mm；載荷作用在A點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)位移為1.618mm。這是線性彈性體中普遍存在的關(guān)系，稱為位移互等定理。
彩
蛋
：
Stiff
Beam
剛性
梁
真的
剛性
嗎？
我們提取桿AB的變形，發(fā)現(xiàn)桿AB發(fā)生了彎曲，最大變形為11.5mm。我們不是已經(jīng)把桿設(shè)置成剛性的了嗎？怎么還會(huì)有彎曲變形呢？
首先，我們要明白，ANSYS中是怎么定義剛性梁?jiǎn)卧摹Ｒ话銇碚f，ANSYS是通過
MPC184單元來模擬剛性梁。我們觀察Solution Information的Worksheet，發(fā)現(xiàn)求解過程中沒有MPC184單元，那我們?cè)O(shè)置了
Stiff
Beam，軟件又是怎么解決的呢？
我們打開ANSYS的幫助，發(fā)現(xiàn)了以下信息（下圖一）。大體意思是說：軟件通過使楊氏模量比工程數(shù)據(jù)中定義的高1e4倍來近似剛性梁。也就是說，軟件會(huì)自動(dòng)定義一種剛度比較大的材料，賦予給Stiff Beam
。Stiff Beam不是完全剛性的，只是剛度比較大而已。我們將結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到A
NSYS經(jīng)典環(huán)境，在材料參數(shù)中，我們發(fā)現(xiàn)了定義在AB桿上的材料，楊氏模量為2e9MPa，而我們定義的材料2-25楊氏模量為2e5MPa，確實(shí)相差1e4倍（下圖二）。
至此，本文結(jié)束。
展開 ANSYS與材料力學(xué)系列教程之軸向拉伸和壓縮（四）
結(jié)論：
①材料力學(xué)方法計(jì)算結(jié)果為1.2934mm，ANSYS計(jì)算結(jié)果為1.2945mm，結(jié)果基本一致。但材料力學(xué)計(jì)算方法使用小變形假設(shè)，在作圖求位移時(shí)，也進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化計(jì)算，所以ANSYS的計(jì)算結(jié)果應(yīng)較為準(zhǔn)確。
②材料力學(xué)中小變形假設(shè)，計(jì)算誤差在可接受范圍以內(nèi)，但計(jì)算效率卻得到了很大的提高。
③該題還可使用彈性體的功能原理進(jìn)行方便快捷的計(jì)算，ANSYS也可計(jì)算結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變能，該方法將在下一篇文章中為大家講解。
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