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应力计算基础-非线性1-小应变假设与大变形(几何非线性)
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2022.05.06 江西省

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1.几何非线性的含义与小变形假设

在考虑大变形的前提下,定义应变的瞬时增量为瞬时伸长量除以瞬时长度,即所谓的真实应变不仅是空间上的概念,还包含时间上(抽象的时间,主要指一个连续的变化过程)的概念。之前的文章中所介绍的拉伸曲线(应力计算基础-拉伸与强度理论1),是在几何非线性和材料非线性的共同影响下所产生的,这里将补充当时缺少的部分概念。

要计算真实应变的瞬时增量,在空间上取一微元dL的同时还需要在时间上取一微元dt

1)dL经过dt后变为dL’,且dL’与dL同向,则该方向上此处线应变的瞬时增量为(dL’-dL)/ dL;

2)空间上以P为顶点的角a经过dt后在P点附近变为角a’(如果不强调在P点附近的话角a可能不再是一个角,其两条边可能变为曲线),如果角a与角a’在同一平面,则该平面内此处切应变的瞬时增量为tan(a’-a),即a’-a;

3)在直角坐标下,按矢量分解的原则,将一般情况进行分解,这样按(1)、(2)所述可以定义出六个方向对应的六个应变分量。

几何非线性与材料非线性是两个概念,其描述的含义为,在外力作用下物体的变形与力的关系从客观本质上就不是线性的,而真实应变是更接近真实情况的概念模型。也就是说,即使材料是线弹性的——应力应变呈正比关系,外力与变形的关系依然是非线性的。

但需要注意的是,通常在小应变范围内,物体的变形量很小,外力与变形的关系可以近似看作是线性的,这便是小应变假设。

2.真实应变与工程应变的关系

为了简化问题,在分析几何非线性时不考虑材料非线性(控制变量)。不失一般性地,假设材料为线弹性且处于变形均匀的单轴拉伸状态,t0时刻物体原长L0,长度L为时间的函数。根据定义,真实应变的瞬时增量为d(Strain_T)=dL/L,两边积分得Strain_T=ln(L/L0),工程应变Strain_E=(L-L0)/L0=L/L0-1,将前式带入得Strain_T=ln(Strain_E+1)。可以看出,当且仅当Strain_E趋于0时,Strain_T=Strain_E,这里便体现出了小应变假设的局限性。

3.Workbench案例验证

在Workbench中只需要打开大变形就可以考虑几何非线性的情况,我们验证章节2中的假设:创建一个L0=100mm的圆柱体,其一个端面经过坐标系原点且平行于XZ平面,在该端面采用无摩擦接触并固定面上任一节点,另侧一端面施加面力载荷以轴向拉伸圆柱体,如下图所示:

计算设置如下,确保有10个点,先采用默认的小变形假设(Large Deflection—Off):

后处理选择输出正应力、正应变和工程应变,工程应变需要在后处理中插入自定义结果,在公式一栏中输入UY/LOCY(即位移/初始长度,这里LOCY是坐标,如果约束面纵坐标不为0,需要改写为UY/(LOCY-Y0),其中Y0是约束面坐标具体的数值):

工程应变的结果云图之所以环向缺失一层网格,是因为在约束面上的结算结果分母为零,没有意义。

在后处理中插入一个图工具,做如下设置:

这样就得到了应力-工程应变、应力-真实应变曲线。为了让结果差异更明显,改变载荷数值,使应变范围达到0.3左右。在同一条件下,打开和关闭大变形开关得到的曲线会明显不同,如下所示。如果求解不收敛可以将节点固定约束去掉,在计算设置中打开准静态Quasi-Static Solution(较新版本的ANSYS出的新功能)。

打开大变形后,工程应变与真实应变不在相等。按照所给的材料模型,应力应变应该是线性关系,但在打开大变形后可以明显看到,工程应变和应力并不是线性关系。

在打开大变形后,可以通过再定义一个自定义结果:log10(UY/LOCY+1)/log10(2.71828182)-EPELY,用于验证工程应变与真实应变的关系,式中EPELY是真实应变(实际表示Y向的弹性正应变),这个自定义结果的含义是ln(Strain_E+1)- Strain_T。

如下图所示,可以看出这个结果相对于应变本身很小,验证了工程应变与真实应变的关系。

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