机械工程中的塑性变形分析与模拟方法
机械工程材料-赵亚忠-参考答案上-性能-晶体-结晶-塑性变形
《机械工程材料》复习思考题答案 一赵亚忠主编 西安电子科技大学出版社第1章 工程材料的性能及使用性能要求1、名词解释:强度，硬度，弹性，塑性，韧性，韧脆转变温度。
答：强度是反映材料承力能力的力学指标，一般指材料不发生塑性变形时的承力能力，或是不发生断裂破坏时的承力能力；硬度是衡量材料软硬程度的性能指标，反映了材料表面抵抗局部塑形变形的能力；弹性是材料受外力作用时产生变形，当外力去除时，变形随之消失，材料恢复到原来形状尺寸的性能；塑性是表征材料在静载荷作用下，断裂前发生永久变形能力的指标； 韧性反映材料抵抗冲击载荷破坏或是交变载荷破坏的能力。
冲击韧性反映材料对冲击负荷的抵抗能力，用材料冲击断裂时所能吸收的能量与截面积的比值表示；断裂韧性反映材料阻止微裂纹失稳扩展的能力。
韧脆转变温度是指对某些合金当温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态，此时的温度为韧脆转变温度。
2、说明以下符号的含义及其单位。
①R m ；②R el (R 0．2)；③R -1；④A ；⑤Z ；⑥a K ；⑦K I ；⑧K I c ；⑨t τσ答：①R m 为抗拉强度，表示材料在拉断前所能承受的最大应力，单位为MPa ；②R el 表示屈服强度，是指材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力值。
对于在σ－ε曲线上没有屈服平台的材料，把使试样产生0.2%的残余塑性变形量的应力值规定为该材料的条件屈服强度，用R 0．2表示，单位为MPa ；③R -1表示疲劳强度，是指材料在无限次交变应力作用下而不发生疲劳断裂的最大应力，单位为MPa ；④A 表示断后伸长率，是指试样拉断后标距的伸长量与原始标距长度的百分比，无量纲，%； ⑤Z 表示指断面收缩率，是指试样拉断后缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，无量纲，%；⑥a K 表示冲击韧度，是指材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，单位为J/cm 2； ⑦K I 表示应力场强度因子，它反映裂纹尖端应力场的强弱，单位为MPa ⋅ｍ1/2；⑧K I c 表示断裂韧性，是指应力场强度因子K I 的临界值，是反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标，单位为MPa ⋅ｍ1/2；⑨t τσ表示持久强度，反映材料长期在高温应力作用下抵抗断裂的能力。
《冷塑性变形》课件
详细描述
在冷塑性变形过程中，如何提高变形效率、 降低能耗和成本是亟待解决的问题。未来需 要深入研究提高冷塑性变形效率的方法和技 术，探索新的工艺路线和加工方法，以提高 生产效率和产品质量，降低生产成本，为企
业创造更大的经济效益。
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THANKS
03
冷塑性变形的工艺参数
应变速率
应变速率
是指单位时间内应变的变化量，通常用ε表示。在冷塑性变形中， 应变速率对变形抗力、加工硬化、流动应力等有显著影响。
高应变速率
高应变速率下，金属变形时间短，位错密度增加，加工硬化速率快 ，流动应力增大。
低应变速率
低应变速率下，金属变形时间长，位错有足够的时间进行攀移和回复 ，加工硬化速率减慢，流动应力减小。
《冷塑性变形》ppt课件
目录
• 冷塑性变形概述 • 冷塑性变形的物理机制 • 冷塑性变形的工艺参数 • 冷塑性变形对材料性能的影响 • 冷塑性变形在工业中的应用 • 未来研究方向与展望
01
冷塑性变形概述
定义与特性
定义
冷塑性变形是指在金属在再结晶温度 以下发生的塑性变形。
特性
冷塑性变形过程中，金属的晶体结构 、内部缺陷和显微组织发生变化，导 致金属的物理和机械性能发生改变。
动态回复和再结晶是冷塑性变形过程中的两个重要现象。动态回复是指在变形过 程中，材料内部组织结构和晶格结构的变化，这种变化可以降低内部应力，提高 材料的塑性和韧性。
再结晶是指在变形过程中，新晶粒的形成和长大过程。再结晶可以改变材料的晶 粒尺寸和分布，从而影响其力学性能和加工硬化行为。再结晶过程通常发生在变 形程度较大时，可以消除加工硬化现象，提高材料的可加工性。
速率增加，流动应力增大。
材料成形原理(第3版)第11章
y
y
x
斜面上的应力
• 直角坐标系中斜截面上的应力
z
z
C
zx
zy yz
xz
z C pz
N
yx xy
x
O
x
xy
B
yx
y y
yz
y
px
zOy
xz zx
py B
y
A x
A x
z
斜面上的应力
➢ 斜截面外法线单位向量 N=(l m n)
l=cos(N,x) m=cos(N,y) n=cos(N,z)
➢ 斜截面四面体的表面积分别为
➢ 应力状态一般用单元体表示
➢ 单元体：材料内的质点，包围质点的无限小的
几何体，常用的是正六面体
➢单元体的性质 任一面上，应力均布 平行面上，应力相等
y
y
yx
x
z
xy
z
x
应力分量
• 应力分量
➢三个正应力分量
x
y
z
y
➢六个剪应力分量
xy yx
yz zy
zx xz
x
z
z
zy
yx
zx xz
yz
yz x
xy yx
应力定义
➢ 假设A为任意微元截面，
P为截面上的作用力， 则A截面的应力向量p
P
p
P
F
ΔP dP P
A
lim p
A0 A dA
A
lim ➢p也称为全应力向量，
可分解为三个应力分量，
ΔP dP
即一 个正应力和二个剪
A0 A dA
应力
lim
ΔP dP
静力弹塑性和动力弹塑性几个热点问题课件
未来发展方向 弹塑性分析方法的改进与创新
弹塑性理论模型：研究更精确的弹塑性本构模型，考虑更 复杂的材料行为和边界条件，提高模拟结果的准确性和可 靠性。
多物理场耦合的弹塑性分析研究
基于人工智能的弹塑性分析应用
数值计算方法：发展更高效的数值计算方法，如有限元 法、边界元法等，提高计算效率和精度，降低计算成本。
粘性等。
动力弹塑性的计算方法
有限元法
利用离散化的方法将连续体划分 为有限个小的单元，通过求解每 个单元的力学行为来模拟整个结
构的动力响应。
有限差分法
将连续的时间和空间离散化为有限 个离散点，通过求解离散点上的物 理量来模拟整个系统的动力行为。
边界元法
利用边界积分方程来求解弹性力学 问题，适用于求解复杂边界条件下 的动力问题。
考虑温度、压力、磁场等物理场对材料弹塑性的影响， 建立多物理场耦合的弹塑性分析模型，以更准确地描述 材料的复杂行为。
利用人工智能技术，如机器学习、深度学习等，对弹塑 性分析中的数据和经验进行学习和优化，提高分析效率 和准确性。同时，基于人工智能的弹塑性分析还可以应 用于预测、优化和智能控制等领域。
有限差分法
有限差分法是一种基于离散化的数值计算方法，通过将连续的物理量离散化为有限个离散 点上的数值，然后对离散点进行迭代计算，得到物理量的近似解。在静力弹塑性分析中， 有限差分法可以用于模拟材料的弹性和塑性行为，以及结构的非线性变形。
边界元法
边界元法是一种基于边界积分方程的数值计算方法，通过将问题转化为边界积分方程，然 后在边界上离散化求解。在静力弹塑性分析中，边界元法可以用于求解弹性力学问题和塑 性力学问题。
静力弹塑性分析方法通常用于大型复杂结构的非线性分析，如地震工程、核工程和 重型机械等领域。
工程力学中的材料损伤和磨损分析
工程力学中的材料损伤和磨损分析在工程领域中，材料的损伤和磨损是一个不可忽视的问题。
它们不仅会影响到设备的性能和寿命，还可能导致安全隐患和经济损失。
因此，深入研究工程力学中的材料损伤和磨损现象，对于提高工程结构的可靠性和耐久性具有重要意义。
材料损伤是指材料在外部载荷、环境等因素的作用下，其内部微观结构发生变化，导致性能下降的现象。
这种损伤可能是由于塑性变形、疲劳裂纹的萌生和扩展、蠕变等原因引起的。
塑性变形是材料损伤的常见形式之一。
当材料受到的应力超过其屈服强度时，就会发生塑性变形。
在塑性变形过程中，材料的晶粒会发生滑移和孪晶，导致晶体结构的破坏和位错的积累。
随着塑性变形的增加，材料的强度和硬度可能会提高，但同时其韧性和延展性会下降。
疲劳裂纹的萌生和扩展也是导致材料损伤的重要原因。
在交变载荷的作用下，材料表面或内部的微观缺陷处会产生应力集中，从而引发疲劳裂纹。
这些裂纹会随着载荷循环次数的增加而逐渐扩展，直到材料发生断裂。
疲劳损伤是许多机械零部件失效的主要原因，如飞机发动机的叶片、汽车的传动轴等。
蠕变是指材料在高温和恒定载荷作用下，随时间的延长而发生缓慢塑性变形的现象。
蠕变会导致材料的强度降低、尺寸变化，甚至会引发结构的破坏。
在航空航天、能源等领域，高温环境下的材料蠕变问题尤为突出。
与材料损伤密切相关的是材料的磨损。
磨损是指材料表面在相对运动过程中，由于摩擦和机械作用而导致的材料损失现象。
磨损的类型多种多样，常见的有粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等。
粘着磨损通常发生在两个接触表面在高压力和相对滑动速度较低的情况下。
由于表面的微观凸峰接触，局部产生高温和高压，导致材料发生粘着和转移，从而形成磨损。
磨粒磨损则是由于硬颗粒或硬突起物在材料表面刮擦和切削而引起的磨损。
这种磨损在矿山机械、农业机械等领域较为常见。
疲劳磨损是在循环接触应力的作用下，材料表面或亚表面产生疲劳裂纹，并不断扩展最终导致材料剥落的磨损形式。
ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析
ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析一、本文概述混凝土作为一种广泛使用的建筑材料，在土木工程中占据了重要地位。
然而，混凝土在受力过程中会出现损伤和塑性变形，这对其静力性能产生显著影响。
为了更深入地理解混凝土的力学行为，并对工程实践提供指导，本文将对ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型进行详细分析。
本文首先简要介绍了混凝土材料的特性以及其在工程中应用的重要性。
接着，阐述了混凝土在受力过程中的损伤和塑性变形的机制，为后续分析提供理论基础。
随后，重点介绍了ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型，包括模型的基本假设、控制方程以及参数的选取。
在此基础上，本文通过实例分析了该模型在静力性能分析中的应用，包括模型的建立、加载过程以及结果的后处理。
本文旨在通过理论分析和实例验证，展示ABAQUS混凝土损伤塑性模型在静力性能分析中的有效性和实用性。
通过本文的研究，读者可以对混凝土的力学行为有更深入的理解，并掌握使用ABAQUS进行混凝土静力性能分析的方法。
这对于提高混凝土结构设计的准确性、优化施工方案以及保证工程安全具有重要意义。
二、混凝土损伤塑性模型理论混凝土作为一种复杂的多相复合材料，其力学行为受到内部微观结构、加载条件以及环境因素等多重影响。
在静力性能分析中，混凝土表现出的非线性、弹塑性以及损伤特性使得对其行为进行准确模拟成为一项挑战。
ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity Model）旨在提供一种有效的工具，用以描述混凝土在静载作用下的力学响应。
混凝土损伤塑性模型是一种基于塑性理论和损伤力学的本构模型，它结合了塑性应变和损伤因子来描述混凝土的力学行为。
在模型中，损伤被视为一种不可逆的退化过程，通过引入损伤变量来反映材料内部微裂缝的扩展和累积。
这些损伤变量在加载过程中逐渐增大，导致材料的刚度降低和承载能力下降。
该模型通过引入两个独立的损伤变量，分别模拟混凝土在拉伸和压缩状态下的损伤演化。
SolidWorks焊接模拟与分析的步骤与方法
SolidWorks焊接模拟与分析的步骤与方法SolidWorks是一种广泛应用于机械设计和工程领域的三维建模软件。
其中一个重要的功能是焊接模拟与分析。
通过使用SolidWorks进行焊接模拟与分析，可以帮助工程师更好地了解焊接结构的强度、刚度和变形等方面的影响，从而优化设计并确保工程的可靠性。
在本篇文章中，我将详细介绍SolidWorks进行焊接模拟与分析的步骤与方法。
第一步是建立焊接模型。
在SolidWorks中，我们可以通过使用三维建模工具创建焊接模型。
首先，根据设计要求绘制焊接部件的外形轮廓。
然后，使用SolidWorks的体素工具将轮廓体素化。
接下来，使用焊接特征工具在模型中添加焊接接头。
我们可以选择不同类型的焊接接头，例如角焊接、对接焊接和角接焊等。
在添加焊接接头时，我们需要指定焊缝的尺寸和焊接参数，以便后续分析。
第二步是设置材料属性。
在进行焊接模拟与分析之前，我们需要为焊接模型设置材料属性。
SolidWorks提供了广泛的材料库，包括金属和非金属材料。
在选择材料时，我们应该根据实际情况选择与焊接材料相匹配的材料。
通过指定材料的弹性模量、泊松比和屈服强度等参数，我们可以更准确地预测焊接结构的性能。
第三步是应用边界条件。
在焊接模拟与分析中，我们需要定义边界条件来模拟焊接结构在实际工作环境中的受力情况。
边界条件包括固定约束、载荷约束和温度约束。
例如，我们可以将焊接模型的一侧固定住，以模拟焊接结构的支撑情况。
我们还可以施加力、压力或扭矩等载荷，以模拟焊接结构在工作过程中受到的力学载荷。
此外，我们还可以设置温度边界条件，以模拟焊接过程中的温度变化对焊接结构的影响。
第四步是进行焊接分析。
通过SolidWorks提供的焊接分析工具，我们可以对焊接结构进行静态分析、疲劳分析和变形分析等。
在静态分析中，我们可以评估焊接结构在静态荷载下的强度和刚度。
在疲劳分析中，我们可以预测焊接结构在循环荷载下的疲劳寿命。
运用CAE技术进行机械结构的强度分析
运用CAE技术进行机械结构的强度分析随着现代工程技术的不断发展，计算机辅助工程（CAE）技术在机械结构的设计与分析中扮演着重要的角色。
特别是在机械结构的强度分析方面，CAE技术能够提供更加精确和可靠的分析结果，帮助工程师优化设计、提高安全性和降低成本。
本文将介绍运用CAE技术进行机械结构强度分析的基本原理和常见方法。
一、CAE技术概述CAE技术是通过计算机模拟工程系统的行为和性能的一种工程分析方法。
它采用了数值计算方法，通过对结构的数学建模和计算求解，得到结构的力学响应、变形和应力等相关信息。
CAE技术的主要应用领域包括结构分析、热分析、流体分析和振动分析等。
在机械结构的强度分析中，CAE技术通过建立结构的有限元模型，通过求解有限元方程，分析结构在外部载荷作用下的响应和性能。
通过这种方法，工程师能够获得结构的应力分布、变形量以及其他相关参数，从而判断结构在工作条件下的强度和可靠性。
二、CAE技术在机械结构强度分析中的应用1. 有限元建模在进行机械结构的强度分析前，首先需要建立合适的有限元模型。
有限元模型是结构和载荷的数学化表示，它是进行强度分析的基础。
在建立有限元模型时，需要考虑结构的几何形状、材料特性以及约束和载荷条件等因素。
通过将结构划分为若干离散的单元，然后根据其几何形状和边界条件等，将结构划分为三角形单元、四边形单元或其他形状的单元。
有限元建模的精度和适用性对强度分析结果的准确性有着重要的影响。
2. 边界条件和载荷定义在进行机械结构强度分析时，需要定义合适的边界条件和载荷。
边界条件包括结构的约束条件，如支撑点或固定点；载荷包括结构所受到的静载荷、动载荷以及热载荷等。
合理的边界条件和载荷定义对于准确的强度分析结果至关重要。
在定义载荷时，还需要考虑载荷的大小、方向和作用持续时间等因素。
3. 线性静力学分析线性静力学分析是机械结构强度分析的基础。
在进行线性静力学分析时，假设结构的应力-应变关系满足线性弹性，载荷是静载荷，并且结构的变形较小。
《结构力学教材》课件
多物理场耦合的研究
未来结构力学将更加注重与流体力学、热力学等 其他物理场的耦合研究，以解决多场耦合的复杂 工程问题。
智能化技术的应用
人工智能、机器学习等技术在结构力学中的应用 将逐渐普及，为结构设计和优化提供新的思路和 方法。
结构力学的重要性
结构力学是工程设计中的关键环节，能够确保结构的稳定性 、安全性和经济性。
通过结构力学分析，可以预测结构的性能，优化设计方案， 提高工程质量。
结构力学的历史与发展
结构力学的发展可以追溯到古代的建 筑实践，如中国的长城、埃及的金字 塔等。
随着科学技术的发展，结构力学不断 吸收新的理论和方法，如有限元方法 、计算机辅助设计等，推动了结构力 学的进步和应用。
结构力学在工程实践中的挑战与机遇
复杂结构的分析
随着工程结构的日益复杂化，对结构 力学在复杂结构分析方面的要求也越 来越高，这既是一个挑战也是一个机 遇。
耐久性与安全性
绿色与可持续发展
随着对环境保护的重视，结构力学在 绿色建筑、节能减排等领域的应用将 更加广泛，为可持续发展提供技术支 持。
工程结构的耐久性与安全性是结构力 学的重要研究内容，未来将面临更多 的挑战和机遇。
02
结构力学的基本原理
静力学原理
静力学原理总结
静力学是研究物体在静止状态下受力与变形 的关系。
静力学基本概念
静力学涉及到的基本概念包括力、力矩、力 偶、约束等。
静力学平衡条件
静力学平衡条件是物体在力的作用下保持静 止或匀速直线运动的状态。
静力学应用
静力学原理广泛应用于工程结构、机械系统 等领域。
机械结构的非线性响应分析
机械结构的非线性响应分析随着科学技术的不断进步和工程需求的不断提高，机械结构的性能需求也越来越高。
而机械结构的非线性响应分析就是对机械结构在非线性载荷作用下的变形与应力进行研究和分析。
机械结构的非线性响应分析不仅能够提高结构的安全性和可靠性，还能够优化设计和节约材料成本，对于工程实践具有重要意义。
一、非线性响应的定义非线性响应是指当机械结构受到外界作用力时，结构的变形与应力不随作用力线性变化的现象。
在非线性响应的分析中，通常具备三种情况：几何非线性、材料非线性和边界非线性。
1. 几何非线性：几何非线性是指结构在变形过程中，结构的形状和尺寸发生变化所引起的非线性现象。
最典型的几何非线性包括大变形、大位移和大变形梁理论等。
几何非线性主要是针对柔性结构而言，如悬臂梁、弹性线等。
2. 材料非线性：材料非线性是指材料在受力作用下，应变与应力之间的关系不遵循线性弹性假设的现象。
通常包括弹塑性、厚度变化、屈曲和断裂等非线性材料行为。
材料非线性是非线性响应分析中最常见的一种现象。
3. 边界非线性：边界非线性是指结构在支撑条件发生变化时所产生的非线性现象。
例如，结构在加载过程中由固定边界变为滑动边界、松弛边界或无约束边界等。
边界非线性的分析通常需要考虑接触力、摩擦力、预紧力等因素。
二、非线性响应分析的方法为了对机械结构的非线性响应进行分析，通常采用数值模拟方法。
常见的数值模拟方法包括有限元法、边界元法和离散元法等。
1. 有限元法：有限元法是一种广泛应用于结构力学领域的分析方法。
它将结构划分为有限个离散单元，然后通过建立单元之间的力平衡方程和位移连续条件，求解整个结构的变形和应力场。
有限元法不仅能够考虑各种非线性载荷的作用，还能够灵活地处理非线性材料和几何非线性等问题。
2. 边界元法：边界元法是基于边界积分方程理论的一种数值分析方法。
它根据结构的边界条件，将结构划分为内、外围两个区域，然后通过求解边界上的积分方程，得到结构的变形和应力。
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机械工程中的塑性变形分析与模拟方法
机械工程是一门研究制造、设计、运用和维护机械的学科，其中塑性变形分析
与模拟方法是一项重要的研究内容。
塑性变形是金属材料在外力作用下，超过其弹性极限而发生的永久性形变。
它在机械加工和材料设计中具有广泛的应用，因此塑性变形分析与模拟方法的研究尤为重要。
塑性变形分析与模拟方法可以通过建立数学模型，模拟金属材料在应力作用下
发生塑性变形的过程。
这些方法主要通过有限元分析进行，即将连续介质划分为有限数量的小单元进行计算。
通过在每个小单元内施加边界条件和应力条件，可以获得整个结构受力时的变形情况。
在塑性变形分析中，最常用的材料模型是弹塑性模型。
弹塑性模型用于描述金
属材料在应力作用下产生塑性变形的行为。
通过考虑材料的弹性行为和塑性行为，可以更准确地模拟金属材料在实际应力条件下的变形过程。
其中，最常用的弹塑性模型是von Mises屈服准则。
von Mises屈服准则基于材料中的等效应力和等效应变来描述材料的强度和塑性行为。
在塑性变形分析中，模拟方法的选择和参数的设定非常重要。
首先，需要选择
适当的网格划分方法，以获得精确的计算结果。
通常情况下，细化网格可以提高计算精度，但也会增加计算量。
因此，需要在计算速度和精度之间进行权衡，选择适当的网格划分方法。
此外，还需要根据实际情况设定边界条件和应力条件，以获得准确的计算结果。
塑性变形分析与模拟方法的研究还包括材料参数的确定和计算结果的验证。
材
料参数是描述材料塑性行为的重要参数，对于模拟结果的准确性有重要影响。
因此，需要通过实验或其他方法确定材料参数，并将其应用于数值模拟中。
同时，还需要进行计算结果的验证，与实际情况进行对比，以评估模拟方法的准确性和可靠性。
塑性变形分析与模拟方法在机械工程中具有广泛的应用。
例如，在金属加工过
程中，塑性变形分析可以用于评估加工过程中的应力分布、变形情况和材料变形能力，以优化加工工艺和改善加工质量。
此外，在材料设计和结构设计中，塑性变形分析也可以用于评估材料的强度和耐久性，预测结构在实际应力条件下的变形情况，以指导设计优化和结构改进。
总之，塑性变形分析与模拟方法在机械工程中具有重要的研究意义和应用价值。
通过建立数学模型，模拟金属材料在应力作用下的塑性变形过程，可以为机械加工和材料设计提供科学依据和技术支持。
随着计算机技术的不断发展和模拟方法的不断改进，塑性变形分析与模拟方法将在机械工程领域发挥更大的作用，为制造业的发展做出更大的贡献。