PERA SIM紧凑拉伸试件弹塑性分析实例

作者：兵心依旧

紧凑拉伸试件（CT试件）是航空航天金属结构材料力学性能测试常用标准试件。其典型结构几何形式如图1所示，本案例针对的试件原始模型的具体尺寸已在图中标出，默认单位为毫米（mm）。

图1 紧凑拉伸试件模型（厚度30mm）

现在需要对该金属试件进行弹塑性分析，了解其缺口部位的应力分布情况，尤其关注更大等效应力。

计算模型对象的材料性能如图5所示，采用非线性本构——双线性等向强化弹塑性模型进行计算。线弹性部分的弹性模量设置为200GPa，即200000MPa，泊松比为0.3。

图5 线性强化弹塑性材料模型

 图6 材料属性弹性部分参数

塑性部分采用双线性等向强化模型，屈服强度为250MPa，切线模量为50000MPa。具体设置如图7所示：

图7 材料属性的塑性部分

边界条件设置如下：下方圆孔内壁采用固定约束，上方平台用均布压力加载，载荷大小为14.5MPa。

图8 边界条件设置

任务设置中，使用结构静力分析。求解器选择直接法，其他按默认设置。非线性控制中，使用完全牛顿迭代法，更大迭代步数设为1000步，残差相对误差设置为0.0001，绝对误差设置为1e-6。

图9 任务设置基本控制

图10 任务设置非线性控制

对模型进行检查通过后，提交求解器进行计算，得到的GAUSS积分点上Von Mises等效应力分布云图如下：

图11 模型的等效应力分布云图

可见，更大等效应力发生在结构缺口应力集中处，试件在较大载荷下将由此产生初始裂纹并沿缺口方向扩展。更大等效应力的大小为260MPa，在该边界条件下已超过该材料的屈服极限，进入塑性状态。软件对非线性迭代计算具有良好的稳定性。

在商业软件ABAQUS中建立相同模型，采用相同的边界条件和类似的网络划分策略获得的计算结果如下：

图12 ABAQUS的等效应力分析结果

可见，其计算结果与PERA SIM的计算结果基本相同。

基于PERA SIM对紧凑拉伸试件进行结构静力学弹塑性分析，通过分析获取该结构的等效应力分布，进而帮助用户分析试验测试的结果和材料性能。

通过与商业软件ABAQUS的对比，说明PERA SIM的计算结果可靠，各项功能完备，计算效率较高。

兵心依旧，北京航空航天大学飞行器设计专业博士，现为北京航空航天大学力学博士后；中国科普作家协会会员，中国青年科技工作者协会会员；在B站等平台教授力学基础和有限元二次开发入门课程，风格深入浅出广受好评。