解决方案 | DEFORM常见问题：应变值不变

2021年3月12日 浏览：1616 评论：5 收藏：4


在变形中，有一种相对常见的情况：零件变形，但有效应变保持为0，其他变量（如应力）的行为异常。报错信息如图1所示，工件的单元应力为0。（注：图-1所示错误多发生在用户自定义材料中，因此用户首先要确认输入的材料参数是否符合材料本构模型。）当应变率非常小时，应变值不变的问题很常见，并且与被称为"极限应变率"的值相关。

解决方案 | DEFORM常见问题：应变值不变的图1


图1 单元应力为0的错误信息


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什么是极限应变率？


在DEFORM中，刚塑性有限元算法是因变形而在单元中产生的应力。在刚塑性模型中，如果一个单元没有塑性变形，那么该单元的应力是不明确的。然而良好的收敛，需要一致的应力。

为了改善收敛，DEFORM 使用被称为“极限应变速率（LMTSTR）”的值来识别零件的刚性或几乎刚性区域，并计算变形率接近零的区域的流动应力。 


一般来说，流动应力和应变率之间的关系是非线性的，由流动应力定律定义。 在低于极限应变速率的值下，可假定流动应力和应变率关系在0和解决方案 | DEFORM常见问题：应变值不变的图2（解决方案 | DEFORM常见问题：应变值不变的图3极限应变率）下的流动应力之间是线性的。


根据计算目的，应变率低于极限应变率的单元被视为“刚性”。它们不会计算应变，并且报告的有效应力可能相当低。


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如何计算极限应变率？


极限应变率保持是指“平均应变率”的固定比率。该比率在前处理器工件属性中进行定义，通常为100：1。

■ 低于LMTSTR的应变率流动应力是基于从0到LMTSTR流动应力之间的线性拟合计算。
■ 在每个变形时间步数中，计算所有变形单元的平均应变率，此后更新的值便会重新计算极限应变率。
■ 对于应变率低于LMTSTR的单元，应变和损伤值不会增加。

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为什么这会引起问题？


如果模拟中每个单元的应变率都小于极限应变率，那么平均应变率将不会被重新计算，极限应变率也不会被重新计算。

这对于刚体运动的模拟是必要的，例如零件在模具中下降的早期阶段可能就会发生此类情况。


然而，当变形速度足够慢，单元发生变形，但仍然低于极限值时，就会产生问题。若零件没有显示出应变，可能会出现相当大的变形。 
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此问题如何解决？


对于变形速率较慢的模拟，必须在模拟开始前重新定义平均和极限应变率。  

■ 每个塑性工件的值都在属性对话框中设置，平均应变率可以由V/L来估计，其中V为模具速度，L为零件的特征变形长度。
■ 极限应变率通常应定义为平均应变率的1/100。
■ 用户可以参照图2所示，从DEFORM的前处理器的界面进行平均应变率和极限应变率的设置，当然也可以利用文本编辑器打开KEY文件，进行参数修改，如图3所示。
解决方案 | DEFORM常见问题：应变值不变的图4


图2 平均应变率和极限应变率设置


解决方案 | DEFORM常见问题：应变值不变的图5

图3 KEY文件中平均应变率和极限应变率设置


模拟除外，工件的刚性部分将看到高持续应力低于屈服应力，例如机械切削加工模拟和自由挤压。在这些情况下，刚性区域可能倾向于在持续的应力下“蠕变”。此时，应使用比平均应变率小5个数量级的极限应变速率。 


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如何计算不同条件下的平均应变率？


LMTSTR保持是指平均应变率AVGSTR的恒定比率。在每个计算方案步骤之后，AVGSTR将重新计算为所有变形单元的非加权平均值。然后，根据前处理器中最初定义的比率重新计算LMTSTR。

■ 对于典型的模拟： AVGSTR和LMTSTR之间的2个数量级比率是合适的（即AVGSTR = 1，LMTSTR = 0.01）。
■ 对于应变率极低的仿真： 应根据AVGSTR = V/h来计算平均应变率，其中V是特征成形速度（即模具或冲孔速度），h是特征工件高度。LMTSTR = 0.01* AVGSTR。

■ 对于涉及工件非变形区域大的恒定应力的模拟：刚性区域可能会稍微“漂移”，从而造成小而潜在的重大误差。对于这种类型的模拟，可使用5个数量级比率（即AVGSTR = 1，LMTSTR = 1e-5），典型情况例如自由挤出和切削仿真。

解决方案 | DEFORM常见问题：应变值不变的图6

图4 流动应力与极限应变率的比较


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总结


■ 在出现应力为0的情况时： 多数情况在用户自定义材料参数时出现，主要是少设置参数，此时可以针对同一模型，换成DEFORM材料库的材料进行模拟确认。
■ 在出现应变为0的情况时： 如果是用户自定义材料参数，同样是再更换为材料库中的材料，对问题进行确认，如果是本身就是使用材料库文件，就使用本文中的建议，修改平均应变率AVGSTR和极限应变率LMTSTR。
■ 这2个参数涉及工件变形较慢的工况时： 建议调低极限应变率LMTSTR。

■ 涉及快速变形的刚性“漂移”时：调低极限应变率LMTSTR到1e-5。

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