NX 高级非线性案例-超弹性材料压缩
ANSYS 模拟超弹性球压缩
ANSYS 模拟超弹性球压缩采用Ogden 三对材料常数模型分析橡胶球的压缩，球的直径40mm。
将橡胶球压缩其直径的1/2。
几乎不可压缩的Ogden。
由二维轴对称PLANE182单元和刚-柔接触面组成的二维轴对称模型,该接触对考虑了板的厚度变化效应，接触对摩擦系数指定为0.35。
1，选择结构分析类型，选择单元类型Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid - 4 Node 182 →OK→Option→K3:Axisymmetric →Ad d →Contact →刚性接触单元2D Targe169(显示TARGE169) →Apply →Contact →柔性接触单元 2 nd surf 171 显示(CONTA171) →OK →[Close]提示: 单元类型 1 采用PLANE182 单元，因为这是一个体积变形问题, 所以采用缺省公式, 即B-Bar 方法。
采用几乎不可压缩超弹性材料属,所以不需要混合U-P 公式。
2. 定义材料参数--输入Ogden 模型参数Main Menu →Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Nonlinear →Elastic→Hyperelastic →O gden → 3 terms”→mu_1:6.3, a_1:1.3, mu_2:0.012, a_2:5.0, m u_3:-0.1, a_3:-2.0, d_1:2e-4 →[OK] →New Material Model →Structural →Friction Coefficient →0.35 Exit3.生成几何模型生成特征点Main Menu: Preprocessor →Modeling→Create→Key points →InActive CS →依次输入 2 个点的坐标：input:1(0,0.02,0),2(0.03,0.02,0) →OK生成一条横线Main Menu: Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Straight Line →连接 2 个特征点，1→2→OK生成一个1/4 圆形面Main Menu: Preprocessor →Modeling→Create→Areas→Circle→Part ial Annulus（WPX=0，WPY=0，Rad1=0.02,Theta=0，Rad2=0,Theta=90）→OK4.网格划分Main Menu: Preprocessor →Meshing→Mesh Tool→Element Attribut e →Area→Material num:1 (PLANE182)→Smart size (选6) →Mesh: Area, Shape: Free, Quad →Mesh→拾取圆弧形面→Close注意：由于要生成线刚-柔接触对，表示模具的横线要指定属性。
10-非线性分析解析
1、概述
1-几何非线性 典型的应用包括大变形和屈曲分析； 2-材料非线性 弹塑性分析（Plasticity） 超弹分析（Hyperelastic）
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蠕变分析（Creep）
衬垫材料（Gasket） 粘弹性分析（Viscoelastic） 形状记忆合金材料（Shape Memory Alloy） 3-状态非线性 典型的应用为接触分析，单元生死
最初的屈服面
2
1
因此屈服准则可写为:
3 T 2 F s M s k 0 2
1
式中 {s} 是偏差应力， k 是当前屈服应力。 等向强化适用于大应变、比例加载情况。 不适与循环加载。
3、材料非线性-弹塑性
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双线性随动强化模型
3、材料非线性-弹塑性
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3、材料非线性-弹塑性
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多线性随动强化模型
3 F s a T M s a y 0 2
1 2
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式中 {s} 为偏差应力, y 是单轴屈服应力，{a}是后应力(屈服面中心位置)。 注意前面图中屈服面中心平移了{a}， 因此基于位置 {a}, 反向的屈服仍 是 2y。 后应力通过下式与塑性应变线性 相关:
非线性弹塑性分析
非线性弹塑性分析ANSYS非线形分析指南弹塑性分析在这一册中,我们将详细地介绍由于塑性变性引起的非线性问题--弹塑性分析,我们的介绍人为以下几个方面:, 什么是塑性, 塑性理论简介, ANSYS程序中所用的性选项, 怎样使用塑性, 塑性分析练习题塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的。
另外,大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。
由于屈服点和比例极限相差很小，因此在ANSYS程序中，假定它们相同。
在应力一应变的曲线中，低于屈服点的叫作弹性部分，超过屈服点的叫作塑性部分，也叫作应变强化部分。
塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。
即然塑性是不可恢复的，那么这种问题的就与加载历史有关，这类非线性问题叫作与路径相关的或非保守的非线性。
路径相关性是指对一种给定的边界条件，可能有多个正确的解—内部的应力，应变分布—存在，为了得到真正正确的结果，我们必须按照系统真正经历的加载过程加载。
塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数，如果塑性应变的大小与时间有关，这种塑性叫作率无关性塑性，相反，与应变率有关的性叫作率相关的塑性。
大多的材料都有某种程度上的率相关性，但在大多数静力分析所经历的应变率范围，两者的应力－应变曲线差别不大，所以在一般的分析中，我们变为是与率无关的。
塑性材料的数据一般以拉伸的应力—应变曲线形式给出。
材料数据可能是工程应力（lP,l）与工程应变（），也可能是真实应力（P/A）与真实应变（）。
()lAL00nl0大应变的塑性分析一般采用真实的应力，应变数据而小应变分析一般采用工程的应力、应变数据。
当材料中的应力超过屈服点时，塑性被激活（也就是说，有塑性应变发生）。
而屈服应力本身可能是下列某个参数的函数。
, 温度, 应变率, 以前的应变历史, 侧限压力, 其它参数在这一章中，我们将依次介绍塑性的三个主要方面：, 屈服准则, 流动准则, 强化准则对单向受拉试件，我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生，然而，对于一般的应力状态，是否到达屈服点并不是明显的。
弹性筒夹变形分析
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练习：弹性筒夹变形分析
5、按下图为弹性筒夹划分网格，其余设置按系统 默认值； 6、按下图为压套划分网格，其余设置按系统默认值；
练习：弹性筒夹变形分析
二、创建仿真模型 三、定义加载函数和强迫位移条件 1、右击仿真导航器fem1_NonLinear.fem节点，新建仿真， 1、右键点击仿真导航器中字段节点，新建表格， 并命名为sim1_NonLinear.sim,在弹出的创建解算方案对 如下图， 话框中选择解算方案类型ADVNL 601,106，点击确定。
显然非线性步长20计算结果不可取。
练习：弹性筒夹变形分析
5、查看非线性步长15的【位移-节点】的X节点，其半径方向向内压缩1.837mm，和预估 的直径方向3mm夹持范围相差不大，因此需要进一步查看该工步弹性筒夹径向最大主应力 （456MPa,未超出材料许用应力，因此该工况下其强度是安全的，后二者同理，不赘述）、 最大切应力和最大Von-Mises应力进行分析； 6、从上述分析可看出，弹性筒夹在工步15能满足设计要求，最后还需验证下压套在此工步 下变形（最大变形为0.002mm左右，变形很小，在允许的弹变范围内）和应力（最大主应 力17.37MPa，未超过材料许用应力，强度足够）状态，查看是否满足位移和应力要求。 最终结论：根据上述非线性得到的数据和分析，可以判断弹性筒夹在15工步时产生的大变 形位移为本实例设计需要的数据，即能满足设计的总体要求。
练习：弹性筒夹变形分析
四、定义高级非线性接触 1、点击仿真对象模型图标，选择面对面接触，在弹出对话框中按下图设置： 其中源区域设置为筒夹模型三板锥面，在源偏置中输入0.5作为径向压缩量，目 标区域设置为压套模型内锥面，其余为默认设置。
UG NX 高级仿真在压力容器中的应用
UG NX 高级仿真在压力容器应力分析中的应用闫硕（沧州市设备安装工程有限公司工程科）摘要：UG NX高级仿真模块具有很强的线性分析功能和非线性分析功能，能够满足压力容器应力分析的需求。
以压力容器典型的受内压圆筒径向接管结构为例，利用NX CAD的强大建模功能以及CAD&CAE的无缝集成，进行了应力分析以及线性化处理，成功证明了UG NX高级仿真在压力容器分析设计中应用的可行性、方便性。
关键词：UG NX高级仿真；压力容器;CAD&CAE技术；nx nastran ；线性化处理；应力分析UG NX高级仿真—基本模块是UG NX的核心子集，包括了一系列分析功能例如线性静态分析，正则模态分析，线性屈曲分析以及流体、热传递分析。
UG NX高级仿真—基本模块提供了有限元分析所需的单元类型库，模型材料库。
支持强有力的边界条件管理能力。
提供系列的包括屈曲分析的线性算法控制能力以及无限规模的正则模态分析能力。
支持稳态和瞬态热传递分析的解算能力。
NX- 基本分析模块在虚拟产品开发流程中拥有很关键的地位，为产品性能开发的数字化原型和仿真模拟提供了广泛应用的CAE解决方案。
特征♦强有力的分析能力♦功能完善的单元库包括点焊单元在内♦各种类型的模型材料库♦边界条件易操作性如工况的合并，添加，删除♦各种特征值求解正则模态及复特征值分析♦设计优化和敏度分析评估设计变动的效果♦高效的解算器♦热传导♦自然对流♦强迫对流♦热载荷定义♦温度边界条件♦初始边界条件♦热控制系统♦图形化显示结果收益♦与物理原型试验相比，仿真分析降低了设计周期长和成本高的风险♦通过相对快捷的仿真过程和反复的验证研究大大提高了产品革新的进程♦在各种工况下都能进行产品功能仿真模拟，包括热场分析一、UG NX高级仿真功能简介UG NX高级仿真技术功能可以实现：1）静力分析：除一般分析功能之外还提供结构的重量和重心数据，支持全范围的材料模式。
同时支持具有惯性释放的静力分析（无约束状态下的准静态响应）、非线性静力分析（包括几何非线性、材料非线性和接触非线性等）。
材料力学中的非线性本构模型
材料力学中的非线性本构模型材料力学是许多工程领域的基础，它研究材料受力后的力学行为，包括力的大小、方向、分布和变形等问题。
不同材料的力学行为需要采用不同的本构模型来描述，常见的材料本构模型有线性弹性模型、非线性本构模型等。
本文将重点介绍材料力学中的非线性本构模型。
一、非线性本构模型的概念在材料力学中，当受力材料的变形与施加的力之间呈非线性关系时，就需要采用非线性本构模型来描述其力学行为。
非线性本构模型可以分为弹塑性模型、粘弹塑性模型、本质非线性模型等不同类型，其中弹塑性模型在实际应用中被广泛采用。
二、弹塑性模型弹塑性模型又称弹塑性本构模型，它是一种介于线性弹性模型和塑性本构模型之间的模型。
弹塑性模型假设材料的力学行为在一定范围内是线性弹性的，但在超出一定应力范围后就会出现不可逆变形，这种不可逆变形称为塑性变形。
弹塑性模型可分为单轴应力状态下的本构模型和多轴应力状态下的本构模型。
其中单轴应力状态下的本构模型包括拉伸本构模型、压缩本构模型等，多轴应力状态下的本构模型包括Mises本构模型、Drucker-Prager本构模型等。
三、拉伸本构模型拉伸本构模型是弹塑性模型中最简单的模型之一，它假设材料的力学行为在拉伸状态下是线性弹性的，且材料的强度随着应力增大而增大。
在达到材料的屈服点后，材料的强度就不再随应力增大而增大了，这时材料开始出现塑性变形。
拉伸本构模型将材料的应力-应变曲线分为弹性阶段和塑性阶段来描述材料的力学行为。
四、Mises本构模型Mises本构模型也称为圆锥形模型，它是多轴应力状态下最常用的弹塑性模型之一。
该模型假设材料的塑性行为是由等效应力和应力状态判据决定的，等效应力可以通过应力张量得到，应力状态判据则基于材料力学的实验性质，通过外部应力来得到。
Mises本构模型能够较为准确地描述材料在多轴应力状态下的力学行为，并在应用中获得广泛的应用。
五、Drucker-Prager本构模型Drucker-Prager本构模型是一种常用的粘塑性模型，它假设材料有两种塑性机制：一种是塑性流动，另一种是摩擦滑移。
CAE解决方案——FemapwithNXNastran
的主要功能—— 电磁场与电流分析，声场和波的传播计算
静态和交变态的电磁场分析 电流与压电行为分析 电磁/结构耦合分析 静态和动态声场及噪声，计算， 固体、流体和空气中波的传播计算，...。
客户案例——船舶设计分析
业务挑战
缩短产品开发周期 提高生产效率 改善合规性和设计审批流程
成效设计更改和模型制作所需的时间缩短了30至50来自用户的体会使用我们的一个员工可以完成原先几个人的工设计工程师配件研发部工程机械事业部行业工程机械wwwbccaccn业务挑战用户的主要业务成功的关键通过使用解决方案提前进行了物理测试公司有能力确保在测试前的一次性设计的正确性解决方案根据和标准在规定时间内设计一台全新的起重机这些关键部件必须要能够通过标准要求客户案例起重机的设计马尼托瓦克为客户定制梁式起重机起重机配件成效公司将新产品从概念设计到详细设计验证设计的时间缩短到了18个月来自用户的体会已经证明了我们产品的特殊性能和为客户提供的最佳解决方案行业起重设备wwwbccaccn业务挑战用户的主要业务成功的关键公司管理层对设计平台提升从制度层面保证了公司设计平台从二维升级到三维解决方案在液压设备的设计过程中非标设备所占的比例很大二维设计手段不仅缺乏系列化设计的能力而且也缺乏对复杂产品设计的验证能力包头市液压机械有限公司是由现任公司董事长王满元于1993年一手创办发展至今包头市液压机械有限公司不仅能够提供包括液压油缸气缸高校精细滤油装置还能够根据用户要求对液压系统元件及系统成套设备进行设计制造和安装成效让客户在产品生产之前就对产品的外观功能质量有了充分的信心来自用户的体会通过使用我们每年能够完成并交付的新产品数量增长了一倍效益非常可观这也使我们能够继续创新总工程师行业液压机械wwwbccaccn业务挑战用户的主要业务成功的关键易于学习的有限元分析软件协助从概念设计到生产的整个过程对零件在使用环境中进行仿真解决方案客户位置
08 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 超弹性汇总
... 模型分类
其他模型 (Mooney-Rivlin, Yeoh 和 Neo-Hookean) 都是多项式模型的缩减形式。
• 它们的应力-应变关系是高度非线性的
• 通常, 拉伸状态下, 材料先软化再硬化，而压缩时材料急剧硬化. F
Tension
u
Compression
B.超弹性背景
ANSYS中关于超弹性本构模型有一些关键假设
• 材料响应是各向同性、等温和弹性的 • 热膨胀是各向同性 • 变形完全可恢复(保守的)
• 材料是完全或几乎不可压缩的 • 更复杂的真实橡胶行为理想化
Example of Rubber ot, o-rings/seals
...高弹体背景
宏观上，橡胶行为呈现下列特征
• 能承受大弹性(可恢复)变形，任何地方都可达100-700%。正如前面提及的，这是由于交联分子链 拆开的原因.
• 由于分子链的拉直引起变形, 所以在外加应力作用下, 体积变化很小。 因此, 高弹体几乎不 可压缩.
lp 和 I p
因而, 使用
可以将W分为偏差项和体积项。
... 应力和应变的计算
通过应变能密度函数，可计算应力应变.
• •
需基要于采W,用确应定力第-二应P变io共la轭-测Ki量rchoffS应ij力(和ddGEWreijen-Lagrange 应变) :
• 注意ANSYS结果以真实应力和应变输出。超弹性曲线拟合(稍后描述) 要求工程应力和工程应变.
... 多项式
多项式形式 基W于第一i和Nj第1二c应ij 变I不1 变量3，i 它I是2 如下3形式j 的现kN象1学d模1k型 J 1 2k
NX非线性疲劳分析实例
NX非线性疲劳分析实例扭簧疲劳分析θ线径：1.6mm中径：8.6mm材料：琴钢丝SWP-B转动角度θ：55°力臂L1：13.5mm力臂L2：16mm有效圈数：7.6圈转轴直径：6mm（拟定）我们运用NX CAE的非线性分析功能，完成了扭转过程的仿真。
同时，通过查阅扭簧设计资料，根据经验公式计算了刚度和应力，与仿真结果进行对比。
基于非线性分析的结果，运用Durability Solution进行疲劳分析。
将最后一个载荷步（扭转55度）的结果，作为疲劳脉冲应力循环的峰值，进行疲劳分析，得到该产品的寿命及疲劳安全系数。
对扭簧和转轴划分3D网格，网格类型全部采用CHEXA(8)。
Total number of nodes in the part : 79617 Number of Hex8 elements : 70884针对扭簧模型的边线进行了缝合、拆分等处理。
使螺旋线更加光顺，便于生成质量较好的扫掠网格。
处理前处理后材料扭簧采用琴钢丝SWP-B ，转轴采用Steel 。
查阅相关资料，SWP-B 的工程应力-应变如下：NX 设置SWP-B 材料的Engineering Stress-Strain 如下：FixedFixed FixedCelas1（小刚度0.5N/mm ，避免扭簧发生刚体位移导致接触不收敛）RBE2RBE2Enforced Displacement 0~55s ，绕轴线旋转55度位移Contact Pressure扭簧与转轴的接触扭簧自身接触应力弹簧内圈取一些点，应力均值为821MPa；弹簧外圈取一些点，应力均值为617MPa扭矩随角度变化曲线：55deg对应的扭矩为：252.2N.mm 刚度：K=252.2/55=4.6N.mm/deg仿真结果与理论计算对比根据扭簧设计手册计算相关参数，计算说明书详见附件。
将仿真结果和理论计算进行对比，如下表。
仿真结果理论计算差异扭转刚度N.mm/deg 4.6 5.1-9.80%最大扭矩N.mm252.2280.9-10.22%内圈最大应力MPa8218180.37%外圈最大应力MPa6176160.16%疲劳问题探讨扭簧设计手册中提到：对于未喷丸处理的ASTM A228材料，疲劳寿命为10万次时，最大工作应力需小于抗拉强度的53%。
非线性3弹塑性分析报告
弹塑性分析在这一册中,我们将详细地介绍由于塑性变性引起的非线性问题--弹塑性分析,我们的介绍人为以下几个方面:•什么是塑性•塑性理论简介•ANSYS程序中所用的性选项•怎样使用塑性•塑性分析练习题什么是塑性塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的。
另外,大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。
由于屈服点和比例极限相差很小，因此在ANSYS程序中，假定它们相同。
在应力一应变的曲线中，低于屈服点的叫作弹性部分，超过屈服点的叫作塑性部分，也叫作应变强化部分。
塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。
路径相关性：即然塑性是不可恢复的，那么这种问题的就与加载历史有关，这类非线性问题叫作与路径相关的或非保守的非线性。
路径相关性是指对一种给定的边界条件，可能有多个正确的解—内部的应力，应变分布—存在，为了得到真正正确的结果，我们必须按照系统真正经历的加载过程加载。
率相关性：塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数，如果塑性应变的大小与时间有关，这种塑性叫作率无关性塑性，相反，与应变率有关的性叫作率相关的塑性。
大多的材料都有某种程度上的率相关性，但在大多数静力分析所经历的应变率范围，两者的应力－应变曲线差别不大，所以在一般的分析中，我们变为是与率无关的。
工程应力，应变与真实的应力、应变：塑性材料的数据一般以拉伸的应力—应变曲线形式给出。
材料数据可能是工程应力（）与工程应变（），也可能是真实应力（P/A）与真实应变（）。
大应变的塑性分析一般采用真实的应力，应变数据而小应变分析一般采用工程的应力、应变数据。
什么时候激活塑性：当材料中的应力超过屈服点时，塑性被激活（也就是说，有塑性应变发生）。
而屈服应力本身可能是下列某个参数的函数。
•温度•应变率•以前的应变历史•侧限压力•其它参数塑性理论介绍在这一章中，我们将依次介绍塑性的三个主要方面：•屈服准则•流动准则•强化准则屈服准则：对单向受拉试件，我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生，然而，对于一般的应力状态，是否到达屈服点并不是明显的。
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NX 高级非线性案例---超弹性材料的压缩模拟
1 模型的几何见下图：
底面固定，顶面施加竖向位移约束。
材料参数：使用两参数的mooney-rivlin模型，其中C10=0.474，C01=0.118，μ=0.499，据此计算屈曲模量为592MPa。
2 问题分析
根据几何和边界的特点，此题目可以使用轴对称模型进行分析。
NX的高级非线性解算序列包括601和701，但是701不支持轴对称模型。
操作步骤：
1 对几何进行处理，NX的轴对称分析模型需要建立在XZ平面内，以Z作为对称轴，模型处于X轴正半轴。
可以使用建模操作中的指令对模型重新定位。
并建立上板的模型，最终得到的几何模型如下：
2 新建一个FEM和仿真，解算序列选择601，106。
打开“大位移”选项。
使用“Case Control”选项卡设置输出请求和时间步设置。
为得到反力结果，激活“SPC Forces”
输出。
时间步定义使用“Single Interval”，设置如下：
非线性解算时间由时间步数与时间增量的乘积来确定，此处的时间并非物理时间，而是定义加载的策略。
如果使用3D模型和701解算序列，则时间为真实的物理时间。
3 创建局部材料，上板使用NX材料库中的“Steel”，橡胶材料使用“Mooney-Rivlin”模型进行定义。
屈曲模量的确定使用以下公式：
E=6(C10+C01)
k=
E
3(1−2ν)
由近似不可压缩条件，取ν=0.499。
4 创建物理属性，Steel创建PSOLID类型的物理属性，超弹性材料需要创建PLSOLID类型的物理属性。
6 进行网格划分，钢板使用程序自动推断的尺寸，单元类型选择CQUADX4。
使用几何抽取
工具条中的“Split Edge”和“Split Face”命令对橡胶件几何进行切分，切分后的几何如下图：
对切分后的几何使用“2D Mapped Mesh”方法生成四边形单元，总体尺寸20mm，单元类型为：CQUADX4。
注意将网格对象放入正确的网格收集器中。
网格模型如下：
7 进入仿真环境，定义边界条件。
定义3个接触对，其中两个为自接触。
在定义接触对之前，最好先定义好接触对中所需要的区域，区域可以由几何元素构成，也可以由单元的边或面组成，为了在调整收敛性过程中对网格的调整不影响创建的区域，建议在几何元素上创建区域。
本例中，需要定义四个区域，这四个区域均由“Polygon Edge”构成。
定义接触，刚板和橡胶的接触摩擦系数设置为0.5，橡胶和橡胶的摩擦系数设置为0.8。
图钢板与橡胶接触设置
橡胶部分自接触的设置
在底面施加“Fixed”类型的约束，在钢板的上表面设置“Enforce Displacement”类型的约束，其值设置如下：
施加完边界条件的有限元模型见下图：
8 进行模型设置检查，确认无误后即可提交解算，解算完成后，在后处理导航器中载入结果，进行后处理操作。
9 显示位移、应力等云图结果。
竖向刚度曲线：。