应变的计算方法.docx
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应变的计算方法
应变的计算方法
本章介绍了几种网格应变的计算方法，通过分析网格变形的特点及规律，将网格的变形分解为分别沿两个主应变的方向一次变形而得，从而通过欧拉法推导了有限应变解析的方网格应变计算方法，并把三维空间网格的每个网格作为线性孔斯曲面介绍了三维空间网格的应变计算方法。
此外还介绍了工程应变、等效应
变和厚度的计算。
4.2基于欧拉法和有限应变理论解析的方网格计算方法
根据有限应变的理论，不同的应力加载可以获得相同的应变结果。
对于近似于平面应力状态的板材成形来说，每个单元体的应变主方向（除去因为位移造成的转动）在成形过程中保持不变。
这样就可以将应变分成不同的加载阶段，利用真实应变的可叠加性，就可以推导出方网格变形的应变计算方法。
连续体的有限变形有两种表述方法。
一种方法的相对位移计算是以变形前后物体内一点作为参考点，即以变形前的坐标作为自变量，这种方法称为拉格朗日法。
另一种方法的相对位移计算是以变形后物体内一点作为参考点，以及已变形
后的坐标作为自变量，这种方法称为欧拉法［48］。
这里给出基于欧拉法和有限应变理论解析的方网格计算原理。
4.2.1方网格内部的变形
设任意方向正方形网格内接于圆网格，将其变形过程分解为两个阶段，如图4-5所示。
第一个阶段沿着X方向变形，丫方向保持不变；第二个阶段沿着丫方向变形，X方向保持不变，即应变主方向与坐标轴相平行。
变形的结果使圆网格变形为椭圆，正方形网格变形为平行四边形（假设单元网格内沿主应变方向的变形是均匀的）
（a）初始网格（b）横向变形后的网格（c）纵向变
形后的网格
图4-5基于有限应变的网格分解变形过程
4.2.2应变主方向和真实应变的计算
对于方网格中心的应变，假设网格内部变形是均匀的，所以变形前后四边形对角线的交点就是网格中心，对角线把方网格划分成四个三角形。
将变形后的网格中心和变形前的网格中心重合，建立直角坐标系，如图4-6所示。
图4-6以欧拉法建立的变形前后网格中心重合的坐标系统
根据欧拉方法，以变形之后的网格坐标来分析，将主应变方向定为坐标方向,设X方向为主应变的方向，丫方向为主应变的方向，两个方向分别有拉形比：
（4-20）
则两个方向的真实应变等于两次分别变形的叠加：
（4-21）
设变形前方网格边长为，为所取初始三角形的直角边长，则有：
取其中初始三角形，其变形后为，根据变形后的网格点坐标、、，得到变形后三角形边长为：
（4-22）
沿两个主应变方向的拉形比为：
（4-23）
已知：
（4-24）
得：
（4-25）
由此得到根据三角形计算出来的主应变的方向，进而可以求出主应变：
（4-26）
根据四边形网格划分的三角形分别求出来的主应变的方向和大小，就得到了方网格中心0点的真实应变值。
由于进行多次计算，四边形的网格都得到了利用，平均之后，计算的精度得以提高，减小了误差。
4.2.3网格点上的应变
以上应变的计算获得的都是方网格中心的应变值，对于网格点上的应变值，贝U三角形的三个顶点都要取网格点才能计算出网格点上的应变值。
图4-7中所示有9个网格点1~9构成四个网格四边形，A、B、C、D分别为四个网格的中心。
通过四个网格（1、2、4、5），（2、3、5、6），（4、5、7、8）和（5、6、&9）可以分别求出中心点ABCD的应变值。
那么网格点5的应变值的获得有下面几种方法：
一种是利用（1、3、7、9）四个点构成的四边形利用上小节所述的方法进行计算，分别求出三角形（1、5、3），（1、5、7），（3、5、9），（7、5、9）的直角顶点5的应变值，然后再求平均值，从而获得主应变和主方向。
如图4-8
所示。
图4-7网格点上应变的获得
图4-8由斜侧方向点求网格点上应变图4-9由纵横方向点求
网格点上应变
另一种方法就是利用（2、4、&6）四个点构成的四边形同样利用上小节所述的方法进行计算，分别求出三角形（2、5、4），（2、5、6），（4、5、8），（&5、6）的直角顶点5的应变值，然后再求平均值，从而获得主应变和主方向。
如图4-9所示。
以上两种方法都仅利用了网格点5周围的4个网格点，而没有充分利用网格点5四周的8八个网格点，因此从计算精度上来说，前一种方法在45°方向上
精度比较高，而后一种方法在90°方向上精度比较高。
为了进一步提高计算精度，可以将以上两种方法结合起来，再一次进行平均，由此获得由某个网格点连同周围8个点计算出来的网格点应变值。
？
显然，这种方法所带来的问题就是需要的计算时间相应地要增加很多。
4.3其它应变
431工程应变
工程应变虽然不具有叠加性质，但它比较直观，在工程实际中应用广泛。
如图4-10所示，是材料的原始长度，是材料的伸长量。
则工程应变为伸长量相对于原始长度的比值：
（4-27）
图4-10材料伸长变形
真实应变是伸长比（拉形比）的自然对数，可以表示为：
（4-28）
因此可以由真实应变获得工程应变：
（4-29）
工程应变值如果为正，可以解释为伸长率，如果为负值，则为收缩率，而对于厚度工程应变，则可以解释为减薄率。
对于拉延成形，材料变薄情况是最需要关注的，用减薄率来反映材料的变形就非常直观。
相应地，真实应变也可以表示为：
（4-30）
4.3.2等效应变
等效应变也可以由真实最大主应变和最小主应变获得：
（4-31）
4.3.3厚向应变
由体积不变条件可以得到真实厚向应变：
（4-32）
材料的真实厚度可由真实应变获得：
（4-33）
4.3.4增量应变
对于板材成形工序次数较多的零件，工序之间的应变变化也是需要关注的。
从上一次工序到下一道工序之间的变形的增量应变的计算方法和平面应变的计算方法相似。
但在这种情况下，网格已经发生了变形，原先变形的网格和再次变形的网格如图4-11所示。
图4-11增量变形前后三角形网格的形状
文献[49]介绍一种通过坐标变换，将变形前后的三角形的某个边重合而获得的增量应变三角形节点计算方法：
有四个张量[50],[51]:
:
变形梯度张量
:
的转置
:
柯西-格林变形张量
:
拉格朗日应变张量
变形梯度张量F是从初始三角形的坐标到再次变形的三角形的线性变换，
有：
（4-34）
为了简化，将初始三角形和变形后的三角形通过旋转是其中一个边和轴重合，则有，另有变形梯度张量F为：
（4-35）
柯西-格林变形张量可以表达为：
（4-36）
代入前式，有
（4-37）
则拉格朗日应变就可以通过柯西-格林变形张量计算获得：
其中是单位矩阵，拉格朗日应变可以以如下形式给出：
（4-38）
有：
（4-39）
真实应变则可表达为：
（4-40）
则主应变的方位角为：
（4-41）
4.3.5厚度和曲率修正
应变可以通过节点之间的距离计算出来。
初始的网格距离就是网格点之间的距离，而在两个节点之间的新的距离在以上的计算过程中都是当作直线来计算的的。
实际上工件表面是有曲率的并且是变化的，因此对于曲率形状变化剧烈的工
件，采用直线距离作为曲面上的距离所带的误差就比较大了。
同样，通过图像处理和三维重建的网格点都位于板料的表面，计算的仅仅是
板料表面的应变值，而板料是有一定的厚度的，因此有必要进行厚度和曲率修正，文献［49］介绍了一种进行曲率和半径修正的方法为：
当节点处曲率半径为，初始
节点之间的距离为，厚度为，则修正的公式为：
（4-42）
在应变分析实际应用中，为了获得比较高精度的测量结果或者为了准确地测量应变变化梯度较大的区域，如曲率半径比较小的区域，采用方法使用比较小直径的网格，能够获得更准确的结果。
4.4三维空间网格的应变计算
前面的描述都是基于平面应变的假设基础上，实际上，在冲压后，工件的形
状是三维立体的，印制在平面板料上网格经过变形后变成了三维空间立体网格。
每个网格节点都具有三维坐标，网格应变的计算就必须考虑空间坐标的问题。
平面正方形网格经过变形后变成了空间网格，网格中心也从点变到了点。
如
图4-12所示（斜侧图）。
图4-12平面正方形网格变形为空间网格
由于网格中心经过变形后不再是空间四边形的几何中心了，因此在计算网格应变时需要通过四个边长的变化确定网格中心点的坐标。
为了简化计算，参照线性孔斯曲面的定义我们可以获得四点构成的曲面片的方程，从而求得变形后空间网格中心点的坐标。
4.4.1线性Coons曲面
1964年S.A.Coons提出了一种曲面分片、拼合造型的思想，他用四条边界构造曲面片并通过叠加修正曲面片，产生满足用户需要的曲面［52］。
线性Coons曲面，也称之为简单曲面，是通过四条边界曲线构成的曲面若给定四条边界曲线，，，，且。
在向进行线性插值，得到直纹面为：
（4-43）
在向进行线性插值，得到直纹面为：
（4-44）如图4-13所示：
图4-13线性Coons曲面的生成
则用四条边界曲线构造的曲面可用矩阵形式表示为：
（4-45）
4.4.2基于线性Coons曲面的四点空间网格应变的计算
设：
已知变形后空间网格四点的坐标为，，，，则可将变形后的空间网格看
成四条边界曲线都是直线的线性Coons曲面。
如图4-14所示。
图4-14变形后的空间网格
根据线性Coons曲面的描述和网格区域内变形是均匀的假设前提，有变形后
网格中心点坐标：
（4-46）
根据4.1.3所述的方法就可以计算出点的应变值。
以三角形为例，有应变主方向矢量落在三角形所在的平面内，如图4-15所
示：
图4-15空间坐标三角形单元的计算
（4-47）
（4-48）
有：
（4-49）
同样，其他三角形可以得到相类似的结果。
由于四个三角形不共面，根据每
个三角形计算出来的主应变矢量方向分别落在各个三角形所在的平面内，而一点
的主应变方向及大小是唯一的，因此，需要对应变主矢进行平均求取网格中心点的切向应变。
但是由于考虑到计算精度和计算效率的问题，本文在实现时只计算
一个三角形内部的应变。
应力应变的切线模量和割线模量
1、初始切线模量——应力值为零时的应力-应变曲线的正切•
2、切线模量一一某一应力级位处应力-应变曲线的斜率.
3、割线模量一一以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率
4、回弹模量一一应力卸除阶段应力-应变曲线的割线模量•
前三种模量取值时的应变值是包含残余应变和•回弹应变在内的总应变，而回弹模量取值时已扣除残余应变后的回弹就变。
因此，将前三种模量笼统地称为土的弹性模量显然是不合适的。
而回弹模量能反映土所具有的那部分弹性性质，所以,在以弹性力学为理论基础的路面设计方法中，往往将土的回弹模量视为土的弹性模量，并且作为路面设计中的一项重要计算参数。
取混凝土应力应变曲线在原点0切线的斜率，作为混凝土的初始弹性模量，简称弹性模量Ec,即：
Ec=tga0
Ec――初始弹性模量；
a0——原点切线的斜率夹角。
当应力较大时，混凝土已进入弹塑性阶段，弹性模量已不能正确反映此时的应力应变关系。
比较精确的方法采用切线模量Ec',即在应力应变曲线任一点处作一切线。
此切线的斜率即为该点的切线模量，其表达式为
Ec'=tga=d（T/d£
割线模量是原点与某点连线即割线的斜率作为混凝土的割线模量，称为变形模量
Ec〃，它的表达式为
Ec"=tga1=（Tc/£c
它们之间的大小关系为：
原点切线模量＞割线弹性模量＞切线弹性模量。
原点弹性模量也就是我们平常用的混凝土弹性模量，值大约为30000MPa左右，与混凝土强度等级有关。
土基的力学强度特性及其设计参数
土的非线性特性
土的非线性特性
土基的模量
1）初始切线模量一一应力值为零时的应力-应变曲线的正切，如图①所示，代表加荷开始
时土的应力-应变关系。
2）切线模量一一某一应力级位处应力-应变曲线的斜率，如图②所示，反映土在该级位
应力-应变变化的精确关系。
3）割线模量一一以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，如图③所
示，反映在该应力级范围内的应力-应变关系的平均情况。
4）回弹模量一一应力卸除阶段应力-应变曲线的割线模量，如图④所示，反映土在回弹变形范围内的应力-应变关系的平均情况。
土基的流变性质
土的变形随时间变化的关系。
土在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与荷载
作用的持续时间有关，是一种具有流变性质的材料。
土基回弹模量测试
回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性性质，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。
我国公路水泥混凝土路面、沥青路面设计方法都以回弹
模量E作为土基的刚度指标。
测定时宜采用逐级加载一一卸载法（直径30.4cm的板）。
每一级荷载经过加载和卸载，
取得稳定的回弹弯沉之后，再加下一级荷载，如此施加n级荷载后，即可点绘出荷载-弯沉
曲线。
在多数情况下，试验曲线呈非线性。
在确定模量时，可以根据土基实际受的压力范围或可能产生的弯沉范围在曲线上取值。
路面设计中，按1mm线性归纳法来确定土基的回弹模量。
地基反应模量
文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文克勒（Winkler）1876年提出的，其基本假定是地基上任一点的弯沉仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处的压力无关。
直径76cm的刚性板测定。
当地基较软弱时，取l=0.127cm时相对应的压力p计算地基反应模量；当地基较为坚硬时，取单位压力p=0.07MPa时相对应的弯沉值l计算地基反应模量。
加州承载比CBR
加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。
承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石
的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBRfio
土基的设计参数的确定
我国在测定土基回弹模量时，常采用直径30.4cm的刚性承载板用加载一卸载的试验方法。
试验通常在不利时期进行，并取有84.1%概率的回弹模量值作为土基回弹模量的计算值。
规范给出我国土基回弹模量设计参数选用的建议值。
土基回弹模量与CBR的关系一直是世界各国在路基土研究中比较关心的内容。
根据试验给出了国内外部分土基回弹模量与CBR的关系，设计是可以根据实际参考选用。
路面材料的几种强度
（1）主要材料类型
1松散颗粒型材料及块料
2沥青结合类材料
3无机结合料类材料
4水泥混凝土材料
由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特性（即应力-应变关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。
（2）抗剪强度
摩尔一库仑强度理论：
工=贰S昶
其中c和I是表征路面材料抗剪强度的两项参数，c是材料的粘结力（kpa），电是材料内摩阻角，对于土可以通过直剪试验得到；对于松散粒料无法做直接剪切试验，可用三轴压缩试验测定。
图2-11三轴试验确定c.©
（3）抗压强度
指试样在无侧向压力条件下，抵抗轴向压力的极限应力。
材料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度。
一般有大试件、中试件和小试件。
小试件指①50mm*50mm
中试件指①100mm*100mm
大试件指①150mm*150mm
（4）抗拉强度
气温变化会引起路面材料收缩，湿度变化能产生半刚性材料干缩，当收缩变形受到约束，即在材料内产生拉应力，材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂。
路面材料的抗拉强度主要由混合料中的结合料粘结力提供，可采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度。
（5）抗弯拉强度
现局部拉裂、测定。
路面材料的实际工作状态是弯曲反复变化的，结构层底首先容易出
产生弯曲断裂。
材料的抗弯拉强度一般采用简支梁三分点加载进行
弹塑性分析中如何确定材料的弹塑性参数
进行弹塑性分析时需要提供材料的弹塑性数据，经常使用的是双线性或多线性参数。
对于双线性参数，只需提供屈服应力和切线模量（割线模量），而对于多线性参数，需要屈服应力和应力-应变曲线数据。
下面是一个例子：
已知某铝合金的材料拉伸曲线如图1:
叩HardeningCtifwe
图1某铝合金的拉伸曲线
1.按照双线性假设确定切线模量：
根据双线性假设，材料在进入屈服后，应力-应变曲线为一条直线，其斜率即为切线模量（割线模量）。
上述铝合金的拉伸应力-应变曲线可以简化为如图2的形式：
HardeoingCurva
取不冏的最大应莊饥可堤得到不同約结杲：
图中翩媲力钧120叭可算出晶腿底变约120/70000aoon
1.Era=（17C-120）/Co.01亠X0017）=50S7MPi
2.E0=（230-120>/Co.08-0.0C17）=1405MPi
1E«=（240-120）/（0J5-50017）工810MPa
这种情况.最好乐用多线段衣扎宜接输入应力-应变曲线'
如呆菲用取线性假设.取中间殖1405可偎较舍适*
图2按照双线性假设确定切线模量
2.多线性假设
此时只需要输入应力-应变曲线数据。
根据上述拉伸曲线，可以提供如下应力-应变数据输入到ANSYS的材料参数中：
应型（％）
0.17
0.4S
1
2
.8
14
应力（Mpa）
120
15Q
170
ISO
2孔
250
其中第一列应该是屈服时的应力和应变
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