剪切
關注創建者：yangzc17 創建時間：2018-08-31
剪切的視頻教程
ABAQUS短梁剪切層間剪切有限元分析COHESIVE CONTACT（三維hashin準則）ASTM D2344
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ABAQUS-高速剪切載荷下的動態裂紋擴展（XFEM）
本案例基于ABAQUS/Standard，采用 Dynamic，Implicit方法模擬了帶裂縫板在高速剪切在合作和用下的裂縫擴展過程。板長6mm，寬3mm，厚0.1mm，預制裂縫1.5mm，裂縫一邊材料受到2.5m/s的速度載荷，產生剪切作用。材料定義了最大主應力損傷初始準則，以及基于能量的損傷演化模型，裂縫在剪切作用下擴展，輸出應力應變，裂縫擴展云圖。
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基于一階剪切變形(FOSD)的板殼有限元分析
推導了一階剪切變形假設下的非線性應變位移關系，采用Hamilton原理構建了基于一階剪切變形假的壓點板殼結構機電耦合幾何全非線性有限元模型，并推導了全拉格朗日非線性求解算法。
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剪切的實例教程
要點
作用在流體上引起剪切流的外力稱為剪切應力。
屈服應力是流體達到結構化流動時所施加的應力。
在剪切增稠流體中，剪切稀化行為的破壞發生在臨界剪切應力下，并隨著粘度的增加而在流體行為中帶來類似固體的轉變
在剪切稀化流體中，粘度發生大幅下降時的剪切應力值稱為臨界剪切應力
流體變形與力和時間有關。流變學是對流動以及變形如何與力和時間相互關聯的研究。流變學研究涉及固體變形、液體流動和粘彈性材料的行為，顯示固體和液體的特性。
在研究流體變形時，您可能會遇到不同的牛頓和非牛頓流體行為。兩種這樣的行為是剪切稀化和剪切增稠。臨界剪切應力表示剪切稀化流體行為變化的開始。在剪切增稠中，在臨界剪切應力下觀察到類固體轉變。
在本文中，我們將研究臨界剪切應力對剪切稀化和稠化流體的影響。
剪切流、剪切應力、剪切應變和剪切速率
在剪切流和拉伸流中，前者是最常見的流動行為。在剪切流中，流體層彼此滑動的速度大于其下方層的速度。最大速度位于頂層，底層靜止。
作用在流體上引起剪切流的外力稱為剪切應力。表示的剪切應力是每單位面積的力。
流體層上的位移梯度稱為剪切應變。當剪切應力在剪切應力的作用下繼續增加時，就會產生速度梯度。
速度梯度，也稱為剪切率或應變率，是應變隨時間的變化率。流體的行為隨剪切速率或剪切應力的值而變化。其中一種行為是剪切稀化。
剪切稀化和臨界剪切應力
剪切稀化是非牛頓流體中常見的行為。它也稱為假塑性流動。剪切稀化是由流體中微觀結構水平的重新排列造成的。在施加剪切應力的平面中發生的重新排列改變了流體的行為。在剪切稀化流體中，隨著施加的應力增加，流體速度降低。
展開 剪切應力 (Shear Stress)
剪切應力結果會顯示塑料熔體于目前時間步長的剪切應力分布。
在優化條件中，剪切應力應平均分布。不統一的剪切應力分布可能會在完成的塑件上產生翹曲。
最大剪切應力
最大應力結果記錄了局部在充填過程中，產生過的最大剪切應力。機械元素的最大剪切應力達到材料的實驗限制時，會產生降伏。
剪切率 (Shear Rate)
剪切率結果顯示目前時間輸出時的剪切率分布。剪切率是聚合物制成時材料剪切變形率。剪切率分布與速度梯度和分子排向的變化相關。高剪切率傾向于發生大幅度的分子鏈變形，即使中斷并弱化產品。也應注意因高剪切路導致的黏滯加熱。
最大剪切率
此結果顯示充填階段每個元素的剪切率記錄的高峰值。注意，此結果顯示的最高剪切率值不見得在相同的步進時間輸出。
剪切率是聚合物制程時材料剪切變形率。剪切率分布與速度梯度和分子排向的變化相關。高剪切率導致大幅度的分子鏈變形，甚至使分子鏈斷裂，降低產品強度。也應注意因高剪切率導致的黏滯生熱。
展開 本文基于室內試驗結果，建立了土工格柵-土界面直剪的三維離散元數值模型，研究了剪切方向和雙向土工格柵各向異性對土工格柵-土界面抗剪強度特性的影響。重點分析了不同剪切方向下土工格柵的內力分布特征和筋-土強相互作用區域內顆粒間法向接觸力的演化。根據不同的接觸力分量將剪切方向上的剪切阻力量化為填料間摩擦阻力、土工格柵-填料間摩擦阻力和土工格柵肋條承載阻力，并基于土工格柵縱、橫肋兩個方向在相同拉應變條件下的拉伸剛度和拉伸強度，提出了雙向土工格柵正交各向異性程度評價指標，量化評估了雙向土工格柵的各向異性程度與肋條承載阻力對筋土界面抗剪強度的貢獻。
論文主要研究結論：
1. 在沿肋條方向上剪切時，雙向土工格柵縱肋與橫肋的拉伸作用和肋條承載作用區別明顯。而45°剪切方向上雙向土工格柵縱、橫肋均可發揮被動承載作用，導致筋-土界面抗剪強度高于沿縱肋（0°）或橫肋（90°）方向上的抗剪強度。
2. 剪切方向對剪切帶中填料顆粒間的法向接觸力幅值有一定影響，但對其法向接觸力主方向影響較小。剪切過程中，45°剪切方向剪切帶中的平均法向接觸力略大于其他兩個剪切方向的平均法向接觸力。
3. 界面剪切強度隨著雙向土工格柵各向異性的增加而降低，并且隨著土工格柵異性的增加，其影響變得更小。
4.對于粗粒料，雙向土工格柵的肋條承載阻力對筋-土界面抗剪強度的貢獻大于土工格柵-土摩擦阻力的貢獻。并且雙向土工格柵的各向異性對土工格柵肋條的承載阻力有重要影響，對筋-土界面摩擦阻力的影響較小。
展開 以上撓度模擬不準是因為剪切鎖緊引起的，這是所有完全積分的一階實體單元都存在的問題==
什么是剪切閉鎖？（shear lock）
剪切鎖緊會導致單元在彎曲時過于僵硬。
根據材料力學，一個材料微元承受彎矩M時的變形如下：
單元變形的應力情況：
這種不正確的剪切應力的產生是因為線性單元的邊無法彎曲。剪切應力的存在意味著單元應變導致剪切變形，而不是預期的彎曲變形，因此整體撓度較小，也就是說單元剛度太大了
剪切鎖定只影響完全積分的一階單元在彎曲載荷下的單元性能。
對于二階單元，剪切閉鎖不是問題，因為二階單元的邊是可以彎曲的，但它依舊有細微的剪切閉鎖效應。
所以，ABAQUS文檔建議：
只有相當確定載荷會在模型中產生很小的彎曲時，才推薦使用完全積分的一階單元。完全積分的二階單元在復雜的應力狀態也可能shear lock。
展開 二、剪切自鎖
在小變形線彈性分析中，在求出節點位移向量的解后，需要進一步算出應變場；非線性分析中，在一個增量步迭代得到位移向量解后，也需要算出相關應變值，再代入本構數據中查詢本構點，進而構造下一個增量步迭代所需要的初始切線剛度矩陣。然而，與我們通常的印象不同，這里計算應力應變值，是在積分點上計算的，也就是是將積分點的坐標值代入應力應變的公式，而不是直接求節點的應力應變。
針對上面的線性矩形單元，其應變矩陣如下圖所示：
在完全積分模式下，例如針對第四個積分點(a/√3,b/√3)，并將得到的節點位移代入，可以得到該積分點下的應變值為：
如圖中所見，該點的剪切應變不為0，這顯然不是純彎曲加載模式所要求的結果。然而需要注意，該現象是在純彎曲加載得到的節點位移和完全積分所對應的B矩陣的共同作用下得到的，如果不是純彎曲加載，那么節點位移不會有相關特征，完全積分線性單元得到的結果和相關加載模式也是符合的（莊茁P64倒數第二段）；如果純彎曲加載下的線性單元實行減縮積分，也不會出現剪切自鎖問題，但是會帶來沙漏現象，我們將在下一篇筆記中對該現象一探究竟。
結語：本文算不得什么，只是從公式上加深了商業軟件使用者對剪切自鎖這一現象的了解，稍微知其所以然罷了。如果要進一步探究如何防止剪切自鎖，要構造怎樣的位移模式，需要更多功夫，可見如下博文：
易木木響叮當，公眾號：易木木響叮當
有限元編程中如何避免剪切自鎖？（非協調單元詳解）
參考資料：
《有限元分析基礎教程》曾攀，清華大學出版社，2008.
《有限元分析及應用》曾攀，清華大學出版社，2004.
《基于ABAQUS的有限元分析和應用》莊茁等，清華大學出版社2008.
《數值分析》歐陽潔等，高教社2009.
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? 一鍵計算：輸入參數后點擊“開始計算”，實時輸出接觸半徑/半寬、最大接觸應力、平均應力、變形趨近量、最大剪切應力及發生深度。
? 結果校驗：內置異常處理（如凹槽半徑必須大于球體半徑、泊松比范圍檢查），避免錯誤輸入導致無效結果。
?模塊化代碼：采用面向對象設計，每種接觸類型的計算函數獨立封裝，新增類型只需添加對應分支和圖片映射。
對于強度計算，焊縫尺寸會被明確定義，以確保在所有方向上（沿焊縫方向、垂直方向和剪切方向）都能夠正確考慮焊縫強度。對于疲勞計算，它會沿焊縫方向自動調整單元應力，從而最大限度地縮短設置時間。Weld Finder使您能夠在部件之間設置焊接和非焊接條件，通過抗拉性能或屈服性能篩選焊縫，并驗證識別設置。（視頻見原文）
優勢：這些工具可簡化設置，從而快速準確地定義和調整模型部件。
在新的分析中，為阻尼器部件添加一個命令片段，粘貼定義Prony 級數復剪切模量的命令（見圖 3）。運行仿真并繪制 X 向位移頻響曲線（見圖 4）。可以觀察到，在工作載荷頻率下，位移幅值已降至 4×10?3mm 以下。
作者成功捕捉到了 ARB 厚度方向上的織構梯度（中心 S 組分與表面剪切組分）。
以及形貌的演化特征：
軋制的局部應力狀態：
作者的模擬結果表明：ARB 過程中，上一道次的表面（剪切區）在疊軋后進入下一道次的中心，導致織構在厚度方向上不斷重新分布和細化。同時“兩級并行”比單一并行模式在處理這類復雜多晶模型時具有壓倒性的時間優勢。
拉伸變形結束后的累計剪切滑移結果：
拉伸變形結束后的統計儲存位錯密度分布結果：
拉伸變形結束后的幾何必須位錯密度分布結果：
為了驗證模型的可遷移性，作者進一步進行了不同溫度下的簡單剪切模擬。重要的是，剪切模擬沒有重新標定材料參數，而是直接使用單軸拉伸得到的溫度相關硬化關系。結果顯示，模型能夠較好預測 25 ℃、148 ℃ 和 232 ℃ 下的歸一化剪切應力-剪切應變曲線，說明該硬化參數體系不僅適用于拉伸，也可以推廣到其他加載路徑。
文章還給出幾個有價值的結論。
模擬結果如下：
應力分布結果：
晶粒1的剪切滑移：
晶粒2的剪切滑移：
晶粒50的剪切滑移：
單元標號5變形結束后的50個歐拉角分布：
針對這一問題，作者構建了一套可概括為CMSG-GTN的分析框架：一方面，在傳統GTN模型基礎上引入剪切損傷變量，用于表征低應力三軸度條件下的剪切主導失效；另一方面，將機制型應變梯度理論引入有限元分析，以刻畫超薄板在微尺度下顯著存在的尺寸效應。前者解決了“傳統GTN不擅長描述剪切斷裂”的問題，后者解決了“常規塑性理論忽略微尺度強化”的問題。
這樣的設計，正好對應了非晶二氧化硅在壓痕加載下“既會發生剪切塑性，又會發生永久致密化”的真實特征。
分享這個代碼的主要原因：一方面，它很適合做玻璃、非晶材料、壓痕問題中的壓力敏感塑性分析；另一方面，它也是學習 cap 模型、致密化硬化和隱式本構積分的一個很好的范例。
每一米帶材都經過嚴格的在線檢測，確保拉伸強度、彎曲強度、層間剪切強度等關鍵指標符合航空級標準。
02、從實驗室到產業化，應用場景全面拓展
1000米連續長度帶來的不僅是生產效率的飛躍，更是應用場景的無限拓展。尤為值得一提的是，君華的LU-CF/PEEK寬度可在2.0-300mm范圍內定制，厚度覆蓋0.11-0.2mm規格，完美匹配熱壓罐成型、自動纖維鋪放、纏繞成型等多種工藝路線。
