剪切的案例
CFD學習：臨界剪切應力對剪切稀化和剪切增稠流體的影響
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 Moldex3D模流分析之澆口貢獻度、壓力、溫度、剪切應力、剪切率
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 論文速遞 | 不同剪切方向下土工格柵-土界面剪切行為的離散元研究
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 【ABAQUS筆記】什么是剪切閉鎖？剪切閉鎖會導致什么？
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 
有限元筆記#1：什么是剪切自鎖？為什么完全積分線性單元在彎曲載荷下會剪切自鎖？
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.
展開 基于ASTM D5656的航空級膠粘劑剪切強度測試優化方案
該修正基于接頭剪切的有限元分析，由兩個系數組成：
C? = 1.03 × t^0.068
C? = -0.000483 + 0.073 × e^(-3.29t)
剪切模量修正按以下公式進行：
G_rec = C? × G_ASTM + C?
其中：G_ASTM – 按D5656標準計算的剪切模量。
2. 試驗結果
2.1 1?2"搭接剪切試驗結果
按D1002標準測試單搭接剪切強度。表2結果顯示表面處理方法對接頭強度有顯著影響。
表2. 1?2"搭接剪切試驗結果
僅噴砂處理的鋁接頭平均剪切強度為14.5MPa，而噴砂后再進行FPL處理的為19.6MPa，即FPL工藝使接頭強度提高了35%。FPL工藝處理后試樣的變異系數更低，表明接頭質量更均勻、可重復性更好。
2.2 厚被粘物剪切試驗結果
主要按ASTM D5656標準進行厚被粘物剪切試驗。接頭剪切分為兩個階段：1）線性階段，膠粘劑應變為彈性，應力-應變關系為線性（剪切模量）；2）塑性階段，剪切應變非彈性，應力增長遠低于彈性階段。圖3為典型厚被粘物剪切試驗的應力-應變曲線，具有三個特征點：LL點為線性極限（彈性階段結束），KN點為應力-應變曲線拐點，UL點為極限應力點。試驗結果見表3與表4。
表3. 噴砂處理后ASTM D5656剪切試驗結果
圖3 典型厚被粘物剪切試驗的應力-應變曲線
表4. FPL處理后ASTM D5656剪切試驗結果
比較兩組試驗，FPL工藝對膠粘劑剪切強度與模量有顯著影響。FPL處理后，平均LL點應力提高了40%（從16.18MPa增至22.68MPa），KN點應力提高了37%（從22.68MPa增至31.06MPa）。極限剪切強度也提高了48%。
展開 五金沖壓件剪切的方式
五金沖壓件加工中，剪切是最基礎的工序之一，合理的選擇五金沖壓件剪切設備，根據生產批量的大小，所剪的五金沖壓件幾何形狀和尺寸大小各不相同，
剪切的方式有很多種包括：1、手剪與如剪 2、振動剪上的剪切3、圓盤上的剪切4、龍門剪床上的剪切 5、開卷線上的剪切；
適用于1毫米以內厚度的五金沖壓件板料，沖壓件下料或者半成品是手剪與如剪，
適用于厚度是2毫米的直線或者曲線的五金沖壓件毛坯是振動剪；其剪刃緊靠這固定的下剪刃快速的往復運動，往復次數可達到每分鐘1200-2000次；
在圓盤上剪切；其剪刀均為圓盤狀，剪切時候上下圓盤刀以相同的速度和相對的方向旋轉。被剪切的沖壓板料靠材料半身與刀片之間的摩擦力進入刀片中，來完成剪切；
龍門剪床上的剪切有平刃剪床和斜刃剪床兩種。平刃剪床的上下兩刃是平行的，工作時候沖壓件板料在整個寬度上同時剪切。剪后的毛坯平直度比較好，其剪切力比較大，一般用于薄板料的剪切；斜刃剪床上的剪切，上下兩刃交叉成一定角度。與平刃剪床相比，剪切力小，工作時較平穩，但由于上下剪刃的壓力在剪切過程中會使剪下的毛坯向下彎曲，并從切口處擠開而產生扭曲現象，特別是剪裁厚而窄的條料時扭曲特別嚴重。往往時候必須校平；
文章來源：http://www.hangzhouaoda.com/cyzs/992.html
展開 Nature子刊：塑性變形剪切帶新認識！
不同于晶態合金中存在位錯、晶界等承載變形的晶體缺陷，非晶合金的室溫變形高度集中在納米尺度的剪切帶內，局域剪切帶的軟化和擴展最終導致非晶材料的失穩斷裂。剪切帶是非晶材料形變和流變的載體，對剪切帶的認知和調控，是突破玻璃體系脆性瓶頸的關鍵。然而，由于沒有直觀可見的類似晶體位錯的形變單元，非晶合金中剪切帶的形成及演化機制的物理圖像、剪切帶之間是否又相互作用尚不清晰。
非晶合金塑性變形形成剪切帶的過程被看作是一系列剪切轉變區（STZ）的激活和協同重排，剪切帶內部結構相對周圍母體發生巨大變化，剪切帶的形成和擴展也往往伴隨著粘滑運動、絕熱升溫、納米晶化等新奇物理現象。然而研究者對剪切帶的具體厚度這一基本問題還沒有達成共識。早期，透射電子顯微鏡揭示剪切帶的直觀厚度是幾十納米的原子結構重排區域。
近年來，納米壓痕、放射性示蹤、納米束X射線衍射、X射線光子關聯譜等一系列實驗方法發現，圍繞著剪切帶存在著更廣泛分布的影響區。中心剪切帶形成的同時，其周圍一定范圍母體也參與到變形和結構重排，這迫使人們需要重新認識非晶合金的應變局域和塑性變形機理。但是，由于分辨率和靈敏度等差異，不同實驗方法得出的剪切帶影響區寬度差別較大，尺度跨域納米到亞微米，亟需新的實驗手段來全面且精準的揭示剪切帶影響區。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室汪衛華研究組博士生沈來權在汪衛華研究員、柳延輝研究員和孫保安研究員的指導下，以磁性鐵基非晶合金為模型體系，通過對起源于磁彈性耦合的磁疇測量直觀地揭示出非晶合金的剪切帶影響區，并通過對磁疇結構的分析，對剪切帶的結構、擴展和相互作用等前沿問題進行了系統研究，得到關于剪切帶的全新認識。
展開 模具澆口設計考量及最大剪切速率
不同塑料因為分子組成不同，分子型態結構不同，熔融黏度也不同；所以對于在不會發生成型問題情況下，塑料可以忍受的最大剪切速率(Maximum of shear rate) 數值也都不盡相同。原理上分子主鏈越柔軟，結構上短分支鏈(branch chain) 越少，就可以容忍較高的剪切速率。下表是Bayer 材料公司商針對其幾種不同種類材料，所建議的最大剪切速率數值，若低于此剪切速率極限值，塑料在射出成型加工上，就比較不會因為遭遇過大剪切速率，而發生一些過度剪切生熱、或塑料發生一些劣化的問題。
■參考數據:
http://www.polymers.usa.bayer.com/checklist/gates_size.html
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展開 剪切修正GTN模型理論與驗證
剪切修正模型的數值實現------《Nielsen KL, Tvergaard V. Ductile shear failure or plug failure of spot welds modelled by modified Gurson model. Engineering Fracture Mechanics 2010;77:1031–47.》
GTN模型是韌性斷裂的一個廣為人知的微觀力學模型，考慮了基體材料的孔洞形核，生長，聚集，其損傷具有明顯的物理意義。然而由于原始gurson模型在低應力三軸度下預測的孔洞形核和孔洞生長非常小，同時模型假設為球型孔洞，在低應力三軸度下，孔洞通常呈現非球形，因此在剪切為主的損傷問題中，GTN模型的應用存在適用性問題，Pardoen and Hutchinson針對空隙形狀發展了考慮孔洞形狀極其影響機制的擴展GTN模型，Nahshon and Hutchinson提出的考慮剪切效應的擴展GTN模型，這里主要說明第二類擴展，即剪切擴展模型。NH-GTN模型雖然可以得到很小，甚至負應力三軸度下的損傷預測，但模型在高應力三軸度下，相同參數情況下，預測剪切效應過大
針對該問題，作者在文章中提出了擴展NH-GTN模型，可以在不改變剪切失效系數情況下，實現對低，中，高應力三軸度的合理預測。
展開 有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列15： 殼的剪切應力
iSolver介紹視頻：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12884
==第15篇：殼的剪切應力 ==
自編有限元應力的校核除了Mises等合力外，也應該校核各個應力分量。材料力學中六個應力分量如下：
其中Tau11，Tau22，Tau33為正應力，Tau12,13,23為三個剪切應力，對殼來說，Tau33=0，Tau12為面內剪應力，Tau13,23即為本文所說的橫向剪切應力。
最近在做iSolver殼的應力分量和Abaqus比對時，發現Abaqus的橫向剪切應力和預想的不一致。iSolver按照常用的殼的理論得到的剪切應力是個與厚度無關的常量，但Abaqus的橫向剪切應力分量TSHR13，TSHR23，在各個截面方向積分點section point不一樣。
花了點時間細致的研究了一下，猜測Abaqus中剪切應力TSHR13、23是真實應力，但有限元理論和iSolver中計算的是板殼近似理論中平均剪切應力。本章將介紹殼單元中實際的和板殼近似理論中的剪切應力，也猜測了Abaqus的內部實現流程，最后通過一個算例來驗算Abaqus中的真實的剪切應力，并通過iSolver來計算板殼理論的平均剪切應力。
1.1 殼的真實的剪切應力
剪應力是材料由于抗拒面之間的滑動而產生的沿表面方向的應力。殼的中間層存在剪切應力，這個可以通過下面簡單的例子驗證。兩塊板疊加在一起，簡支，中點加力，板間假定無摩擦，那么將會得到下面的形狀，中間層表面上梁的伸長和下梁的縮短完全由x方向應力決定，此時中間層無抗拒滑動的力，也就不存在剪應力，。
展開 
ANSYS workbench中的剪切應力到底是什么（三）
在 ANSYS Workbench 中，剪切應力（Shear Stress） 是指物體內部平行于截面方向的應力分量，反映材料在平行于受力面方向上的 “錯動趨勢” 或 “剪切變形阻力”。它與正應力（垂直于截面的應力）共同構成了材料內部的應力狀態。
正應力 σx：表示X方向的正向應力
切應力 Txy：表示垂直于X軸的平面上方向沿Y方向的切應力
1.剪切應力的物理意義
從力學本質上看，剪切應力是由于物體受到平行于表面的力（剪切力）作用而產生的：
? 當外力試圖讓材料的兩部分沿平行方向相對滑動時（如剪刀剪斷物體），材料內部會產生抵抗這種滑動的內力，單位面積上的這種內力就是剪切應力。
? 單位為帕斯卡（Pa）或兆帕（MPa），與正應力單位一致。
2.Workbench 中剪切應力的表現形式
在 Workbench 的結構分析（如靜力學分析）中，剪切應力如何表達，通過以下案例來理解。設置一個橫梁受到上面力的作用，則截面會產生剪切效果，計算后查看結果
那么根據理解，剪切應力最大的應該發生在平行于ZY平面的截面上，那么提取結果應該看YZ的剪切應力，提取結果如下
發現YZ結果并非理解的剪切應力的云圖，經過研究發現，剪切應力的大小遵循材料力學定義的方向，如下圖所示
結果提取Txy之后的應力可以發現結果和理解的相同.
切應力 Txy：表示垂直于X軸的平面上方向向Y方向的切應力，以X的正方向來截取左側的截面為參考
τ_xy：平行于 XY 平面，方向沿 x 軸在 y 方向的錯動（或 y 軸在 x 方向的錯動）；
（分量符號的第一個下標表示應力作用面的法線方向，第二個下標表示應力方向。例如 τ_xy 表示：作用在法線沿 x 軸的截面上，方向沿 y 軸的切應力。）
展開 土的剪切試驗方法
4、 十字板剪切試驗 十字板剪切儀是一種使用方便的原位測試儀器，可以測定飽和粘性土的原位不排水強度，特別適用于均勻飽和軟粘土。十字板剪切試驗所得結果相當于不排水抗剪強度。
abaqus剪切修正GTN模型的VUMAT子程序開發
剪切修正模型的數值實現------《Nielsen KL, Tvergaard V. Ductile shear failure or plug failure of spot welds modelled by modified Gurson model. Engineering Fracture Mechanics 2010;77:1031–47.》
GTN模型是韌性斷裂的一個廣為人知的微觀力學模型，考慮了基體材料的孔洞形核，生長，聚集，其損傷具有明顯的物理意義。然而由于原始gurson模型在低應力三軸度下預測的孔洞形核和孔洞生長非常小，同時模型假設為球型孔洞，在低應力三軸度下，孔洞通常呈現非球形，因此在剪切為主的損傷問題中，GTN模型的應用存在適用性問題，Pardoen and Hutchinson針對空隙形狀發展了考慮孔洞形狀極其影響機制的擴展GTN模型，Nahshon and Hutchinson提出的考慮剪切效應的擴展GTN模型，這里主要說明第二類擴展，即剪切擴展模型。NH-GTN模型雖然可以得到很小，甚至負應力三軸度下的損傷預測，但模型在高應力三軸度下，相同參數情況下，預測剪切效應過大
針對該問題，作者在文章中提出了擴展NH-GTN模型，可以在不改變剪切失效系數情況下，實現對低，中，高應力三軸度的合理預測。
展開 . : 磁疇解密鐵磁金屬玻璃中的剪切帶影響區
圖4 多重剪切帶的典型MFM顯微圖像
a) 多個剪切帶的MFM相位圖像；
b) 沿a圖黑色箭頭指示的路徑中的高度以及相應的MFM相位曲線；
c) 沿a圖中的彩色箭頭指示的兩個相鄰剪切帶MFM相位曲線；
d) 具有交叉點的多重剪切帶的MFM相位圖像；
e) 沿d圖中直線的高度以及相應的MFM相位曲線；
f) d圖中藍色橢圓標記區域中的兩個交叉剪切帶MFM相位曲線。
圖5 退火后磁疇的變化
a) 在573K退火5 h后的MFM相圖像；
b) 在573K退火60 h后的MFM相圖像；
c) 在693K退火1 h后的MFM相圖像。
圖6 剪切帶影響區的示意圖
剪切帶影響區的示意圖。灰色區域代表數百微米的長程彈性區域，有色區域代表剪切帶的有效變形區，其中亮紅色線代表納米級剪切帶的核心，紅色區域代表寬度為幾微米的嚴重變形區域，淺藍色區域表示長度為數十微米的擴展應變梯度場。 三個30×30 μm2 MFM相位圖像代表相應區域中的典型磁疇圖譜(波狀疇圖譜、擴展疇圖譜、拉鏈狀疇圖譜)
【小結】
綜上所述，作者以具有高靈敏度和空間分辨率的磁疇作為探針證實了剪切帶誘導剪切帶影響區的結構。作者發現剪切帶影響區由納米級剪切帶、剪切帶附近的微米級嚴重變形區和數十微米的擴展應變梯度場組成。隨著剪切帶間距的減小，每個帶的剪切帶影響區導致了剪切帶之間的相互作用。此外，還存在從剪切帶延伸數百微米且具有漸變應力場的超長程彈性區域。該工作中的方法和結果為可視化觀察剪切帶影響區提供了重要參考，能夠進一步加深研究人員對MG中應變局部化的理解。
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