ANSYS中应力应变材料（2）—双线性材料获取及填写 原创

    上一篇我们讲解了金属材料线弹性阶段的弹性模量，以及ANSYS中各向同性弹性参数的设置方法。这种仅填写弹性模量、泊松比的材料模型，只适用于结构应力低于屈服强度、只发生弹性变形的仿真场景。

     但在实际工程仿真中，很多零部件会出现过载、局部应力超标，材料进入不可恢复的塑性变形阶段；这种场景下，简单的线弹性材料模型就会计算失真，这时候我们最常用、最简单的塑性材料模型——双线性材料模型，它的参数来源和ANSYS软件填写流程简单介绍。

一、什么是ANSYS双线性材料模型？

     首先简单理解：双线性顾名思义就是两段直线组成的材料应力-应变曲线，专门用来描述金属材料弹塑性变形行为，是工程仿真入门最常用的塑性本构模型。

结合金属标准拉伸试验得到的真实应力-应变曲线，我们把复杂的试验曲线简化成两段标准直线：

1. 第一段直线（弹性阶段）：和线弹性材料完全一致，曲线陡峭上升，斜率就是我们之前讲的弹性模量E；这个阶段卸载后构件变形完全恢复，无永久形变。

2. 第二段直线（塑性强化阶段）：当应力达到材料屈服强度后，材料发生屈服，进入塑性变形阶段；这段曲线不再保持原有陡峭斜率，会平缓上升，这条直线的斜率叫做切线模量Et。

    整个模型只用4个核心基础参数就能定义：弹性模量、泊松比、屈服强度、切线模量，不需要输入复杂的全尺寸试验曲线，计算速度快、收敛性好，绝大多数钢结构、合金金属塑性仿真都优先选用这个模型。

    为什么要用双线性材料呢？因为我们没有应力应变曲线，只能根据有限的材料参数来简化材料输入。就是将真实的应力应变曲线用图中的蓝色曲线来代替。 多线性材料的输入方法参考下面一篇文章

二、双线性材料全部参数，从拉伸试验怎么获取？

所有参数全部来源于金属单轴拉伸试验，沿用拉力-位移原始试验数据换算得到的应力应变曲线，提取关键特征值即可，

1. 弹性模量E、泊松比μ（第一阶段参数）

和线弹性材料获取方式一模一样：取应力应变曲线初始弹性直线段斜率；普通钢材统一取值2E11Pa，金属通用泊松比0.3。

2. 屈服强度σs（两段直线分界点）

就是曲线的拐点，这个点对应的应力数值就是屈服强度。比如普通Q235钢材，标准屈服强度取值235MPa。仿真中应力低于这个值，软件自动走第一段弹性直线；超过这个值，自动切换第二段塑性直线。

3. 切线模量Et（塑性段直线斜率）

材料屈服之后，金属并不会无限制变形、应力完全不变，大部分金属都会出现轻微加工硬化；塑性阶段平缓上升直线的斜率，就是切线模量。

工程简易取值规则：常规碳钢、合金钢，没有专项试验数据的情况下，行业统一默认取弹性模量的1%~5%；钢材最常用默认值6E9Pa。

    另外准确的算法就是四个参数来计算切线模量：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率。根据图中蓝色线条很容易知道计算公式

切线斜率=（抗拉强度-屈服强度）/（断裂伸长率-屈服伸长率）

总结：双线性材料本质就是简化应力应变曲线为两条直线，因为我们没有准确的应力应变曲线，只能假设为这个曲线

三、ANSYS Workbench中双线性材料详细填写步骤

   操作建立在线弹性材料基础上，只需要额外添加塑性模块，步骤简单易懂，适配静态结构、冲击载荷仿真：

1. 打开ANSYS Workbench，进入【Static Structural静态结构】分析模块，点击上方【Engineering Data（工程材料）】进入材料编辑界面；

2. 新建自定义材料，首先按照之前线弹性教程，左侧添加 Isotropic Elasticity（各向同性弹性），输入弹性模量2E11Pa，泊松比0.3，完成弹性基础参数录入；

3. 左侧材料属性搜索栏，搜索并添加 Bilinear Isotropic Hardening（双线性各向同性强化），这就是我们要用的双线性塑性材料模型；

4. 右侧参数栏填写两个核心塑性参数：Yield Strength（屈服强度）填入对应钢材屈服值，比如Q235填235e6 Pa；Tangent Modulus（切线模量）填入6e9 Pa；

5. 参数全部填写完成，点击保存材料数据；将该自定义材料赋予仿真模型零部件。

后续网格划分、施加力/约束载荷后，ANSYS就会自动判断单元应力大小：低于屈服强度按弹性模量计算变形；超过屈服强度自动按照切线模量计算塑性永久变形。

四、注意事项

• 适用场景：双线性材料适合大变形、局部塑性屈服、结构破坏校核仿真；如果确定零件全程不会屈服，只用最简单的线弹性材料就足够，没必要添加塑性参数；

• 单位统一原则：ANSYS仿真全程单位必须统一，模量、屈服强度单位保持一致，推荐全部采用国际单位Pa；

• 模型选型区别：大部分静力仿真选Bilinear Isotropic Hardening（各向同性强化）；循环载荷、反复加载工况，选用Bilinear Kinematic Hardening（随动强化双线性模型）；

• 参数优先级：软件不会自动覆盖参数，塑性参数生效前提：模型局部载荷突破屈服强度，否则全程只调用弹性模量计算。

仿真就是一个坑，一入仿真深似海，劝君莫入仿真圈！

你钻研着物理知识，操着软件开发的心，忙着机械设计的事，拿着别人零头的钱！

仿真就是一门玄学，结果飘忽不定而又极其重要！

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