頸縮現象的案例
基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現象模擬（原創案例賞析，如轉載，請注明出處）
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 金屬棒的頸縮現象仿真
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?？跁r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
一些ANSYS的使用經驗
下面舉兩個例子說明：
在做非均勻材料拉伸模擬材料頸縮現象的有限元數值計算時，對一個標準試件，一端固定，另一端加一個X方向的位移，結果發現在施加X方向的位移的一排節點產生了很大的Y方向位移，使得節點依附的單元變形十分扭曲，導致程序不收斂而終止，而中間的單元并沒有太多變化。顯然，可以分析在實驗當中施加X方向的位移的一排節點是不應有Y方向的位移的，為了與實驗相符應消除Y方向的位移，可同時施加一個Y方向的零約束，重新計算，結果得到了比較理想的頸縮現象，并可清楚的看到45度剪切帶。
在做金屬拉拔的塑性成型有限元模擬時，簡化為一個二維的軸對稱問題，相對于三維的接觸問題而言是比較簡單的了，建模，劃網格都很順利，求解時發現程序不收斂，就調參數和求解設置，基本上作到了該做的設置，該調的參數都試過了，程序照樣不收斂，幾乎到了快放棄的地步，沒辦法只好重新開始考慮，發現剛體只倒了一個角，而另一個倒角開始時認為沒有必要倒，因此，試著重新倒角再計算，問題一下子迎刃而解，程序收斂相當快，有限元計算結果相當漂亮。
從以上兩個例子也可以從中總結出一條：要把我們思考問題時的那些想當然的想法也要作為在分析問題時的檢查對象。
展開 Moldex3D模流分析之纖維分析模塊Fiber
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
（a）藍圈：隨機取向之纖維排向分布;（b）紅圈：高度定向之纖維排向分布
? 通過準確的雙向流體結構相互作用（FSI）對MCM的芯移位行為的考慮以及IC封裝的導線架偏移行為，預測由不均勻的流動壓力引起的嵌件位移
核心偏移分析
導線架偏移分析
應用產業
? 電子
? 汽車
? 醫療
? 消費產品
? IC包裝
展開 
金屬零部件的失效形式
主要宏觀特征表現為試件的頸縮現象。
2）脆性斷裂失效
發生脆性斷裂前，無塑性變形。描述材料脆性斷裂難易程度的指標是沖擊韌性ak、韌脆轉變溫度Tk和斷裂韌性KIC。
3）疲勞斷裂失效
在交變應力作用下，經過較長時間的工作而產生裂紋導致發生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。
疲勞斷裂特征：
? 疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低；
? 不存在宏觀的、明顯的塑性變形跡象，是脆性突然斷裂；
? 疲勞斷裂是損傷的積累，在循環應力多次反復作用下產生。
4）蠕變斷裂失效
蠕變是指材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現象。產生的斷裂叫做蠕變斷裂。
3、腐蝕失效
腐蝕是金屬暴露于活性介質環境中而發生的一種表面損耗。其失效形式包括：化學腐蝕和電化學腐蝕。
化學腐蝕失效過程中一般不包含電解質環境，如鋼在高溫下的氧化、脫碳，在含氫的氣體中的腐蝕；電化學腐蝕的環境中則會包含電解質作用，如金屬在潮濕空氣、海水或電解質溶液中的腐蝕。
4、磨損失效
磨損一般發生在相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金屬表面不斷發生損耗或產生塑性變形，使金屬表面狀態和尺寸改變。磨損失效一般包括兩種：粘著磨損和磨粒磨損。
1）粘著磨損在滑動摩擦條件下，摩擦幅的接觸面發生金屬粘著，在隨后的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。
粘著磨損是缺油或油膜破壞后發生干摩擦的結果，是一個零件表面上的金屬轉移到另一個零件表面上，而產生的磨損。
展開 Dyna中模擬材料失穩的GISSMO失效模型 ￥20
材料失穩
塑性變形可分為兩個階段，在工程應力達到抗拉強度之前為均勻塑性變形，超過抗拉強度后出現頸縮現象（材料失穩），發生局部集中塑性變形。
對于常規的有限元算法，真實應力應變曲線出現下降段（材料失穩）以后，隱式算法往往表現出結果分叉，不收斂的情況，顯式算法則表現出強烈的網格依賴性。
材料失效與應力三軸度
對現有金屬材料研究發現，失效應變受應力狀態影響，材料所受應力狀態不同時，材料內產生的塑性變形與應力集中程度將不同，材料失效應變也會發生變化。
下圖為某鋁合金材料失效塑性應變與應力三軸度的曲線。
累積損傷算法
現有的結構損傷分析中，大多數采用線性累積損傷算法（如JC失效模型），不能準確反映實際的非線性累積損傷過程。非線性累積損傷模型相比線性累積損傷模型更能準確反映出實際的非線性累積損傷過程，而線性累積損傷模型偏保守。
不同失效準則和不同累積損傷算法的仿真差別
GISSMO失效模型
單元尺寸對失效應變的影響
由于材料失穩后的應變帶有強烈的網格依賴性，而損傷及失效應變均和材料失穩后的應變相關，為了消除單元尺寸對失效應變的影響，GISSMO本構中引入了單元尺寸和失效應變歸一化因子LCREGD。
實例驗證
以簡單的單軸拉伸試驗為例：
損傷閥值DCRIT設定為0.5時計算結果如下：
材料失穩后中間單元先失效，符合單軸拉伸試驗規律。
展開 漸進性損傷與失效（主要是韌性金屬）-- 圖片未顯示的話，可郵箱PDF格式文件 ￥12
當材料表現出應變軟化行為時，導致應變局部化（即頸縮現象），這將導致單元的解表現出強烈的網格相關性，在此情況中，能量耗散隨著網格的細化而降低。在ABAQUS中，所有損傷演化規律均使用一個旨在緩解網格相關性的公式，以緩解網格相關性。通過在公式中引入“特征長度”和將本構模型中軟化部分表達成應力-位移關系來實現此目的。在此情況下，損傷過程中的能量耗散是按單位面積來制定的，而不是按單位體積來指定的。將此能量處理成一個附加的材料參數，并且用它來計算發生完全材料破壞時的位移。這與斷裂力學中將材料的臨界能量釋放率作為材料參數的概念一致。此公式確保耗散能的總量正確，并且極大地降低網格相關性。
ANSYS學習經驗
下面舉兩個例子說明：
在做非均勻材料拉伸模擬材料頸縮現象的有限元數值計算時，對一個標準試件，一端固定，另一端加一個X方向的位移，結果發現在施加X方向的位移的一排節點產生了很大的Y方向位移，使得節點依附的單元變形十分扭曲，導致程序不收斂而終止，而中間的單元并沒有太多變化。顯然，可以分析在實驗當中施加X方向的位移的一排節點是不應有Y方向的位移的，為了與實驗相符應消除Y方向的位移，可同時施加一個Y方向的零約束，重新計算，結果得到了比較理想的頸縮現象，并可清楚的看到45度剪切帶。
在做金屬拉拔的塑性成型有限元模擬時，簡化為一個二維的軸對稱問題，相對于三維的接觸問題而言是比較簡單的了，建模，劃網格都很順利，求解時發現程序不收斂，就調參數和求解設置，基本上作到了該做的設置，該調的參數都試過了，程序照樣不收斂，幾乎到了快放棄的地步，沒辦法只好重新開始考慮，發現剛體只倒了一個角，而另一個倒角開始時認為沒有必要倒，因此，試著重新倒角再計算，問題一下子迎刃而解，程序收斂相當快，有限元計算結果相當漂亮
展開 [轉貼] 學習ANSYS經驗總結
下面舉兩個例子說明：
在做非均勻材料拉伸模擬材料頸縮現象的有限元數值計算時，對一個標準試件，一端固定，另一端加一個X方向的位移，結果發現在施加X方向的位移的一排節點產生了很大的Y方向位移，使得節點依附的單元變形十分扭曲，導致程序不收斂而終止，而中間的單元并沒有太多變化。顯然，可以分析在實驗當中施加X方向的位移的一排節點是不應有Y方向的位移的，為了與實驗相符應消除Y方向的位移，可同時施加一個Y方向的零約束，重新計算，結果得到了比較理想的頸縮現象，并可清楚的看到45度剪切帶。
在做金屬拉拔的塑性成型有限元模擬時，簡化為一個二維的軸對稱問題，相對于三維的接觸問題而言是比較簡單的了，建模，劃網格都很順利，求解時發現程序不收斂，就調參數和求解設置，基本上作到了該做的設置，該調的參數都試過了，程序照樣不收斂，幾乎到了快放棄的地步，沒辦法只好重新開始考慮，發現剛體只倒了一個角，而另一個倒角開始時認為沒有必要倒，因此，試著重新倒角再計算，問題一下子迎刃而解，程序收斂相當快，有限元計算結果相當漂亮。
從以上兩個例子也可以從中總結出一條：要把我們思考問題時的那些想當然的想法也要作為在分析問題時的檢查對象。
說明：本人ANSYS的提高，主要得益于在大四期間參與了機械學院老師與三一重工的合作項目——瀝青混合料轉運車的CAE分析與優化，獨立完成了整個項目的全部接觸分析及負責了整車部分模型的建模與分網。
展開 ANSYS使用經驗（2）
下面舉兩個例子說明：
在做非均勻材料拉伸模擬材料頸縮現象的有限元數值計算時，對一個標準試件，一端固定，另一端加一個X方向的位移，結果發現在施加X方向的位移的一排節點產生了很大的Y方向位移，使得節點依附的單元變形十分扭曲，導致程序不收斂而終止，而中間的單元并沒有太多變化。顯然，可以分析在實驗當中施加X方向的位移的一排節點是不應有Y方向的位移的，為了與實驗相符應消除Y方向的位移，可同時施加一個Y方向的零約束，重新計算，結果得到了比較理想的頸縮現象，并可清楚的看到45度剪切帶。
在做金屬拉拔的塑性成型有限元模擬時，簡化為一個二維的軸對稱問題，相對于三維的接觸問題而言是比較簡單的了，建模，劃網格都很順利，求解時發現程序不收斂，就調參數和求解設置，基本上作到了該做的設置，該調的參數都試過了，程序照樣不收斂，幾乎到了快放棄的地步，沒辦法只好重新開始考慮，發現剛體只倒了一個角，而另一個倒角開始時認為沒有必要倒，因此，試著重新倒角再計算，問題一下子迎刃而解，程序收斂相當快，有限元計算結果相當漂亮。
從以上兩個例子也可以從中總結出一條：要把我們思考問題時的那些想當然的想法也要作為在分析問題時的檢查對象。
ps：原文來自于網絡，感覺有些用處，貼在這里大家看看。
展開 馬普所材料頂刊（IF31.041）：一種全新合金設計理念！實現兼具超強高韌、高熱穩定性合金
在靠近晶體-非晶界面的非晶層中可以發現有一些很小的納米晶（箭頭所示），這一現象可能是退火過程中的不完全非晶化造成的。原因是在于靠近晶體-非晶界面處的非晶層含有較少的Ti、Zr、Nb和Hf元素，導致了玻璃形成能力（GFA）的下降。（f）623K退火1小時試樣的APT數據的三維重構。（g）在（f）圖中箭頭所示區域的623K和973K退火1小時試樣的1D成分圖。
圖3. 晶體-非晶共生合金在室溫下的原位TEM拉伸變形行為。晶體-非晶共生合金在（a）拉伸前以及（b）拉伸過程中的明場TEM圖。（c）在圖（b）中放大區域的環形暗場（ADF）STEM圖，顯示了在拉伸過程中裂紋的產生。（d1-d3）在拉伸過程中裂紋前端晶體層的HRTEM原位視頻截圖，顯示了其寬度從18nm減小至14nm。（e1-e3）在（d1-d3）中方框區域的放大圖。（f1-f3）在（e1-e3）中方框區域的晶格解析結構放大圖，顯示在拉伸過程中同一區域發生了由HCP向FCC的相變。（g1-g3）晶體相和非晶相在斷裂過程中的HRTEM原位視頻截圖。（h1-h3）與（i1-i3）在（g1-g3）中方框區域的放大圖，顯示了斷裂過程中晶體相和非晶相都發生了頸縮現象。
圖4. 晶體-非晶共生合金的力學性能。（a）微米柱試樣的壓縮工程應力-應變曲線。（b）合金的歸一化剪切屈服強度vs.均勻變形數據圖，顯示共生合金相比傳統非晶合金與納米片層合金具有更優異的綜合力學性能。（c）共生機制示意圖。在初始合金中，晶體相和非晶相分別具備HCP（BCBC…原子堆垛次序）與非晶結構。加熱過程中，化學元素由晶體相向非晶相動態遷移（左圖箭頭所示），動態增強了非晶相的負混合焓，從而穩定了共生合金整體的晶體-非晶結構。
展開 
結構疲勞，今天聊聊航空發動機限壽件
機械結構若受靜力載荷，當載荷較大時，結構一般會發生明顯變形（如頸縮現象），我們能從變形量感知到結構即將破壞，從而可以避免繼續加載使得結構發生斷裂；與靜載荷相比，機械結構在疲勞載荷作用下沒有顯著的變形預警，在累積到某個循環時極有可能突然發生斷裂。（是不是已經被繞暈了？舉個簡單的例子吧：一根鉛絲你一下子掰彎了但不會斷，但是如果你堅持反復掰來掰去，它就會斷的，這就是結構疲勞。）
靜載破壞與疲勞破壞的區別（圖片來自于網絡）
如果這種機械結構是我們飛行旅途中身處的機艙，隨著飛機的起飛和降落，機艙在內外壓差等載荷的循環作用下會不會可能發生疲勞破壞呢？
動畫：彗星號飛機失事影像（來自于網絡）
動畫：彗星號飛機失事調查試驗再現（來自于網絡）
沒有明顯的變形、沒有任何的征兆彗星號機艙就突然破裂了？是的，它斷得是如此慘烈和突然。對航空器內的乘客而言，瞬間從微笑著的天堂墜入了烈火地獄。
渦輪發動機自問世以來，無論軍民用，在使用過程中均會因為某些部件的低周疲勞失效導致飛機的3級或4級事件發生。美國汽車工程學會（SAE）最早進行了民用航空器發生非包容（屬于FAR 33.75描述的“危害性發動機后果”之一，也是限壽件失效后最常見的后果）事件的數據統計，1962年-1975年期間，發生多起由于發動機轉子盤和隔圈破裂導致航空器嚴重破損和出現人員傷亡的事故（參考SAE AIR1537）。
限壽件條款是怎么來的？
面對發動機部件、特別是那些關鍵的轉子部件發生疲勞斷裂后會引起機毀人亡的事故實事，為了公眾安全利益以及整個商業運輸行業的健康發展，必須出臺相關法規以提高發動機的安全水平。
展開 電磁成形技術理論研究進展
文獻[51～54]的實驗結果表明，高速率成形下材料成形性提高主要是材料慣性而不是材料本構關系的改變抑制了工件的局部頸縮。高速率成形的大動量改變了傳統靜態成形工件的應力分布，使變形在整個工件范圍內發生，分散了整個工件的集中變形，縮小了減薄量，從而使變形趨于穩定。從另一方面來講，雖然成形速率比傳統靜態成形高得多，但是，高速率成形產生的應變速率還不足以改變材料的本構關系(102～103 Vs104/s)[43]。所以，高速率成形過程中，材料的慣性是導致工件成形性提高決定因素。同時，工件尺寸和形狀對高速率成形工件的成形性影響很大，成形性提高很大程度上取決于試樣的尺寸和形狀[53]。
文獻[58]從力學角度出發，建立了包括電、磁、熱場在內的多場耦合方程組，對電磁脹形過程中的一維Al6061環頸縮現象進行了研究，并量化了電磁成形提高極限變形程度（在本文的條件下，圓環頸縮應變比靜態下提高了6倍）。研究結果表明，材料的應變速率敏感性及材料在電磁成形過程中所獲得的高應變速率（104/s數量級）是材料成形極限提高的主要原因。與文獻[43]比較可見，應變速率級別的高低是決定材料成形性提高的關鍵因素，當應變速率低于104/s時，材料的慣性對成形性提高起決定作用；當應變速率達到104/s數量級時，材料的應變速率敏感性及電磁成形中所獲得的高應變速率對成形性提高起決定作用。
文獻[55]通過在線位移測量和有限元迭代模擬相結合的方法，得到了鋁合金高速率變形時屈服應力、塑性應變和應變速率之間的關系，真實地反映了高應變速率對材料成形性能的影響。
展開 為什么應變-應力曲線對于仿真很重要？
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 LS-DYNA中的操作及設置（五）（應變率，質量縮放）
在單軸拉伸試驗中，假如試件發生均勻變形，也就是沒有頸縮等局部化現象，那么應變率在試件中的分布是均勻的，此時有：
長度的變化為deltaL = r * time
工程應變為deltaL/L = r * time/L
工程應變率為strain per time = r/L
真實應變為ln(1+ engineering strain) = ln(1+ r*time/L)
真實應變率隨時間的導數為d(true strain)/dt = [ln(1+r*time2/L) - ln(1+r*time1/L)]/(time2-time1)
其中，L為試件長度；r為加載速率。
當然,事實上試件中的應變率并不是均勻分布的，所以我們需要在分析中給定一個應變率的變化范圍。為了估算應變率，我們可以針對有代表性的單元進行高精度的預分析，并輸出應變率（set STRFLG=1 in *DATABASE_EXTENT_BINARY）。還可以使用*DATABASE_BINARY_D3THDT 和 *DATABASE_HISTORY_SHELL這兩個關鍵字來輔助完成這一目標。（建議使用*DATABASE_EXTENT_BINARY中的N3THDT=1來使D3THDT文件的大小降為最低）
繪制應變率曲線的兩種方法
1.使用*DATABASE_EXTENT_BINARY中的STRFLG=1直接將應變信息輸出到文件中。針對關鍵單元，我們可以以非常高的精度來輸出D3THDT 或 ELOUT文件，其中選擇單元是利用*DATABAE_HISTORY_...關鍵字來完成。
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