Ansys Workbench蠕变分析

蠕变行为及其Ansys Workbench中分析设置解析

金属材料在长时间的恒温、恒载荷作用下，会发生缓慢的塑性变形，此种现象即为力学行为中的蠕变。蠕变概念下，金属材料的温度“高”或“低”相对于其熔点而言；为了更精确描述，通常采用与熔点相比较的“约比温度(T/Tm)”表示（Tm为金属熔点，基取热力学温度）。蠕变现象仅在约为实验温度与熔点比值大于0.3时显著，例如碳钢过300℃，合金钢超过400℃时，往往会观察到蠕变效应。蠕变过程，充分考虑温度因素，电路主要通过位错滑移与原子扩散机制进行。通过高温环境使位错、空位等缺陷的活性增加，容易丢失障碍，叠加长期应力作用引发某种方向性的对位缺陷移动，持续变形从而发生蠕变。




描述蠕变过程中金属应变ε随时间τ的变化情况通常由蠕变曲线表示，曲线示意图展示了恒温、恒应力条件下时间τ与应变ε之间的关系。曲线段oa表示在承受恒定拉应力σ时产生的瞬时应变；a点以后因时间τ的增加而发生的应变为蠕变部分。曲线斜率代表各个点处的能量速率即蠕变速率。蠕变过程可以划分为青性蠕变、恒速蠕变及加速蠕变三个阶段。在三个阶段中，蠕变速率以及内在冶金机制（如应变硬化与动态回复）决定了蠕变的进展与最终状态，直至最终发生蠕变断裂。

材料的蠕变性能可通过蠕变极限与持久强度极限表征。蠕变极限表述为在高温持续载荷作用下避免产生过量蠕变变形的金属材料要求条件，反映在常温屈服强度中相似的塑性变形抵抗能力指标。蠕变极限适用于设计选择材料时，需避开表面过量蠕变。持久强度极限指的是过规定温度、达到特定持续时间而不发生断裂的最大应力，适用于特定服役条件下蠕变变形较小或者对应变要求不高的情况，需要选择抗断裂能力作为选材设计依据。此指标直接关系到金属材料在其规定的使用期限内的可靠性。

Ansys Workbench中蠕变分析设置详解

在Ansys Workbench环境中设定蠕变分析相较于普通静力分析重点关注材料本构描述和分析步骤。

设置流程

1. 创建分析流程：创建指向当前分析特定目标的流程节点，然后通过双击流程来选择和设定本构模型。

2. 材料蠕变属性设置：Ansys Workbench支持多种本构模型，本例选择Norton模型。在材料属性栏中，填充特定于Norton模型或其它所选模型的参数。具体数据建议参照材料手册或学术文献获取，此处假设使用任意参数进行演示。

3. 构建几何模型：在选择材料属性后，依据预定设计创建或加载对应的几何模型。标准创建步骤将略去。

4. 设置边界与载荷：在Mechanical模块中通过双击Model进入边界条件与载荷的详细设定。划分网格及向模型中加约束力和内外部约束是关键操作步骤。

5. 分析步骤设定：在Analysis Settings中创建两个分析步。第一分析步自适应（或称为程序控制步骤）进行，保持大变形开关与蠕变效果关闭。分析步2设定为总的分析时间（例如3600000秒），开启自动时间步，定下最小、最大以及起始时间步长。确保大变形开关保持打开，确保蠕变效果充分利用，并设定Creep Limit Ratio。

6. 后处理分析：插入“Equivalent Creep Strain”插件以可视化所有计算过程中积累的蠕变应变，此区域将显示关键位移阶段以及材料响应的统计概览。

在金属材料特性研究与工程应用中，合理理解蠕变行为与准确设置Ansys Workbench中的蠕变分析流程至关重要，本文旨在提供核心概念与技术细节的精准阐述，为工程领域的设计、分析及预测提供重要的技术支持与依据。