２０１４．１１Ｂ 总第２９８期 文章编号：１６７３—８８７Ｘ（２Ｏ１４）１ １—００１７一ｏ４ 基于ＡＢＡＱＵＳ和ＡＮＳＡ材料库进行 弹塑性分析的方法及应用 翟晓杰，赵娜 （陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院，陕西西安７１０１１９） 摘要在对结构进行有限元分析时，常常涉及塑性变形。为了模拟材料的塑性变形能力，需 要对塑性应变进行定义，传统的定义方法通过修改ｉｎｐ文件以及在ａｂａｑｕｓ中逐个添加来实 现，在公司的材料数据较多时，筛选复制等将降低工作效率。结合使用经验￣Ｊ，ＴＬ软件的新功 能，总结了定义材料弹塑性的快捷方法，提高了工作效率。 关键词有限元 弹塑性分析材料库 中图分类号Ｓ２ 文献标志码Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－８８７Ｘ．２０１４．１１．Ｏ０７ ０ 引 言 名义应变：ｓ ：掣． （１） ｎ 在汽车行业中，涉及各种各样的金属材料，而每种材 料由于供应厂家、制造过程、热处理工艺等原因，靠查材料 名义应力： ｚ － （２） 数据手册并不能满足实际仿真的需要，因此每个厂商都在 建立自己的材料库，以期更好地贴近实际产品，提高设计 真实应变：ｓ 』 ＝１ｎ（ ）＝ｌｎ（１＋占一）． （３） 和分析能力。 １弹塑性分析的理论基础 真实应力 袁 （４） 材料在拉伸的时候，其应力应变关系并不总是一条直 线，而是分为不同的阶段：在载荷较小时，应力应变缓慢增 塑性应变： ｄ＝ｓ ８ｄ－ｏ 孚． （５） 加，基本满足线性关系，可以用胡克定律研究它们的关系； 式（１）～（５）中：△卜＿试件的长度变化量； 随着载荷的逐渐增大，应力应变之间不再满足胡克定律， 试件的初始长度； 其变形除了弹性变形外，还有一部分塑性变形。试样拉断 卜 件的当前长度； 卜载荷； 后，其标距段的总变形△ｚ与原标距长度ｚ之比（６＝ × Ａ ０＿—试件的初始截面面积； １００％）称为材料的延伸率，工程上常以 ５％【ｑ作为塑性 Ａ——试件变形后的截面面积； 材料和脆性材料的分界线。但是，不论是塑性材料还是脆 ——弹性应变； 性材料，在拉伸的时候都会发生塑性变形，一般通过材料 卜弹性模量。 拉伸试验得到的应力和应变是名义应力 一和名义应变 ４０ＭｎＢ拉伸得到的应力一应变关系曲线见图１， ｅ一，而材料的塑性应变８ｄ与真实应力 一真实应变８一 ＺＬ１０１Ａ拉伸得到的应力～应变关系曲线见图２。 名义应力 一、名义应变ｅ一之间的关系如下田： 由图１和图２可以看出，对于ＺＬ１０１Ａ材料，采用真实 收稿日期２０１４—１０—２４ 作者简介翟晓杰（１９８７一），男，山西人，助理工程师，研究方向：动力学与控制。 理论研究 翟晓杰赵娜：基于ＡｎＡＱＵＳ和ＡＮＳＡ材料库进行弹塑性分析的方法及应用 山日 皇 ０ｏＯ 应变ｌｅ一６ 一一名义应力一应变曲线； 一一真实应力一应变曲线 图１ ４０ＭｎＢ拉伸得到的应力一应变关系曲线 ３０ｏ ∞２５０ 昌２００ １５０ １０ｏ ５０ ０ ０ ２０００ ４０００ ６０００ ８ ０００ ＩＯｏｏｏ 应变ｌｅ一６ 一一名义应力一应变曲线； 一一真实应力一应变曲线 图２ ＺＬ１０１Ａ拉伸得到的应力～应变关系曲线 应力应变计算和采用名义应力应变计算的区别不大，两条 线基本重合；但是对于４０ＭｎＢ材料，在线性阶段两条曲线 基本重合，随着载荷的逐渐增大，应力一应变曲线出现一 定的偏差。在进行弹塑性分析时采用不同的曲线对结果影 响很大，因此为了确保弹塑性分析的准确性，必须采用真 实的应力应变来进行计算。 ２弹性模量的计算 随着材料技术的发展日新月异，新材料不断问世，带 动了包括机械工业在内的其他工业的产品品种、结构、功 能的更新和提高。为此，已有科技工作者对常用材料的力 学性能进行了大量的研究，得到了丰富的数据［３１，对于提高 科技人员的设计水平大有帮助。但是，即使对于同一种材 料牌号，当生产过程不同（如供货厂家、热处理工艺、浇铸 工艺等不同）时，对材料的力学性能会有不同的影响。特别 是考虑到材料受载过程中可能出现的塑性变形时，使用手 册查得的数据就不能满足计算分析的需求。因此，对于每 个厂家，有必要建立自己的材料数据库，针对自己的产品 得到最准确的材料数据。 四种不同的ＺＬ１０１Ａ材料试棒拉伸的结果见图３。 由图３可以看出，不同的试棒拉伸出来的结果并不 １８夜业抽 ！描 窖 －ＺＬ１０１Ａ－３：一一－ＺＬＩＯＩＡ－４ 图３四种不同的ＺＬ１０１Ａ材料试棒拉伸 结 相同。 一般拉力试验机给出的原始数据是拉力和引伸计伸 长量，对其按照式（Ｉ）～式（４）进行处理可以得到名义应 力、名义应变、真实应力、真实应变，可以做出材料的应 力一应变曲线。在弹性阶段，应力与应变呈线性关系，根 据试验机给出的弹性起点和弹性终点，可以得到材料的 弹性模量。对于理想材料，其应力应变满足 ，对每 个数据点计算对应的弹性模量，然后取平均值，就可以 得到弹性范围内的弹性模量；对于大多数材料，其应 力一应变曲线并不是从原点开始的一条直线，而是在某 一段呈现良好的线性。对于这种情况，应该取弹性起点Ａ 和弹性终点Ｂ分别对应的８ ，ｏｒＡ， ， ，采用图解法［４１， 计算材料的弹性模量： Ｅ：．Ｏ＇Ｂ－－Ｏ＂Ａ一． （６） ８Ｂ－－￣Ａ 图解法求杨氏模量见图４。 图４图解法求杨氏模量 ３塑性数据的计算 得到了 ，ｓ ，Ｅ，根据式（５）即可得到塑性应变与应 力的关系。对于理想弹塑性模型，当应力达到屈服应力 后，应力不再增大，而应变可以继续增大，变形处于不确定 的流动状态，应力一应变曲线是一条水平直线，这在计算 时容易出现收敛问题。因此，需要在拉伸得到的塑性数据 的最后一行再加上一行，使得数据中的最大应变大于实际 可能出现的最大应变，从而保证分析过程中使用硬化模 曩论研究 ３＿２显著提升了耕作土壤的肥力 周忠：机械化保护性耕作技术的应用与推广 术减少约５４％，土壤流失量降低约９０％，田地蓄水能力 提升１５％。 ３．４生态环境得到有效改善 保护性耕作采取秸秆还田技术，提高了田地土壤中的 有机质含量。研究发现，玉米根茬中的有机质含量达到 ８０％左右，其中钾、磷、氮含量分别达到０．９５％，０．６５％， ０．７０％；将玉米根茬粉碎处理后均匀地混入土壤中，可提高 土壤中的有机质含量，增强土壤中的微生物活力。另外，根 在玉米种植中采用机械化保护性耕作技术，极大地改 善了玉米生长环境，延长了玉米生育期，提升了玉米单位 面积产量及玉米饱满度，增加了农民的经济收入。除此之 茬经熟化、腐解后的腐殖质，可以作为土壤胶合剂来改善 土壤团粒结构，有利于改善种植田地土壤的水分和肥力状 况。镇平县在示范区的实践证实，保护性耕作实验区土壤 有机质含量比传统耕作模式增加约３６．４１％，其中速效钾、 磷及水解氮增加率分别为１１．０８％，１５．８％，６．４４％。 ３．３最大限度减少了水土流失量 外，保护性耕作技术改善了本地区干旱土壤环境，遏制了 土壤土粒转移、扬沙，改善了本地区的农业生态环境。 ４结语 机械化保护性耕作技术是由国外成熟农业生产技 术发展而成的，根据不同农业种植类型，开发出多种成 熟技术体系。我国在不同地区推广该项技术，应结合本 地区农业种植类型、土壤结构等因素，合理选择适用于 在玉米大面积种植中采取保护性耕作技术，不仅 能够减少地表径流量，还可以降低田地土壤的风蚀和 水蚀程度。镇平县６个示范地区的调查结果显示，采取 当地的技术体系，积极探索适合当地的机械化保护性耕 保护性耕作技术田地的地表径流量相对于传统耕作技 作技术体系。 参考文献 ［１】李云祥．机械化保护性耕作是旱作农业可持续发展的有效途径Ⅱ】．现代农业，２０１３（１１）：６９—７ｏ ［２］徐华军，袁海燕．保护性耕作的技术效应及存在问题探讨卟现代农业科技，２０１２（２４）：２６６． ［３］于焕滨．机械化保护性耕作技术推广应用浅析Ⅱ】＿农艺技术，２００９，１０（２０）：４２－４３． ［４】 张劫．搞好机械化保护性耕作技术推广的思考ＩＪ］．当代农机，２０１４（５）：７５－７６． （上接第１９页） 算的结果在扭矩为９５０Ｎｍ时早已发生破坏；而弹塑性分 由图９可知，该材料的抗拉强度为２２０ＭＰａ，按照弹性 析的结果为６６０ＭＰａ，略大于材料的抗拉强度，更符合真 实情况。 分析的结果，在该扭矩作用下后盖已经发生破坏；实际中， 后盖能承受的扭矩为该加载扭矩的１．４倍，因此使用弹塑 性分析能够较准确地模拟后盖的受力情况。 安全销弹塑性分析对比见图ｌＯ。 ６结论 （１）结合日常工作经验，对材料弹塑性分析方法进行 了深入研究，给出了比较合理的数据处理方法、弹性模量 的求解方法、塑性数据获得方法。在此基础上，对利用 ａｂａｑｕｓ和ａｎｓａ软件建立企业材料库的方法进行研究，有 助于改善弹塑性分析精度和提高分析效率。 Ｍａｘ：＋９。０４６ｅ＋００２ Ｍａｘ：＋６．６０６ｅ＋００２ （２）通过这两种方法创建好的材料库，可以方便多次 分析时使用，材料数据的更新也只需要将数据库内容更新 即可，同时也有利于实现分析的规范化和流程的标准化。 图１０安全销弹塑性分析对比 由图ｌＯ可知，已知安全销连接的联轴器传递的扭矩 为９５０Ｎｍ，材料的抗拉极限为６２４ＭＰａ，使用弹性分析计 参考文献 ［１】梅凤翔Ｉ周际平，水小平工程力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００８：２８８—２９２． ［２】 曹金凤，石亦平．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析常见问题解答【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００９：２６５—２８５． ｆ３１ 《机械工程材料性能数据手册》编委会．机械工程材料性能数据手册［Ｍ１．北京：机械工业出版社，１９９５：６． ［４】 中华人民共和国国家标准．ＧＢ／Ｔ２２３１５－－２００８金属材料弹性模量和泊松比试验方法［ｓ］．中国标准出版社，２００８：１—１０
