发布时间 : 星期六 文章ANSYS工程分析 基础与观念Chapter04更新完毕开始阅读
第4.4节 材料模式 87
热现象）；这个现象我们称为磁滞现象（hysterisis）。这种复杂的现象不在本书的讨论范围内，ANSYS也不支持这种材料模式。
若弹性材料的应力应变曲线成直线，则称为线性弹性（譬如低碳钢在很小的应力下会呈现线性弹性，如图4-4c所示），否则称为非线性弹性（如图4-4a所示）。线性弹性材料通常以Eq. 2.11（Hooke’s Law）来描述。
(b)
Strain
(c)
Stress Strain
图4-4 Elastic Material:
(a) Nonlinear Elastic, (b) Hysteresis Elastic, (c) Linear Elastic
图4-5是另一种可能的材料行为：将应力解除后，曲线并没有回到原点，而是有一残留应变（residual strain，塑性应变或plastic strain），我们称此种材料为塑性材料（plastic material）。注意，应力解除后的曲线常呈现一直线；而在应力应变曲线图里所围成的区域也是代表了一种能量的损失，通常也是以热的方式储
Stress Strain
(a)
Stress 88 第4章 ANSYS结构分析的基本观念
存在材料中或散播出去。塑性材料（想象碳钢在大变形下）如果经反复的施与应力，则一方面会产生热，另一方面会有塑性变形的累积，两者都可能对材料产生破坏。ANSYS提供了蛮多的塑性材料模式供你选择。
Strain
图4-5 Plastic Material
Stress 4.4.3 黏滞性与非黏滞性材料
一般的金属材料，反应和负载几乎是同步的；外力作用后，变形几乎是瞬间发生的，这种材料称为非黏滞性材料。图4-6代表非黏滞性材料的应力、应变、与时间的关系；我们将它们画成两个图，其横轴都是时间，纵轴则分别是应力及应变。当施与应力时，应变是与应力是同步发生的，也就是应力增加、变形跟着增加，应力减少、变形也跟着减少；这是大部分金属材料在固态时的特质之一。
Stress Strain Time Time
图4-6 Non-viscous Material
第4.4节 材料模式 89
相对的，许多材料（会「流动」的材料，譬如金属在液态时、或是许多高分子材料），应力和应变的发生不是同步的，如图4-7所示：应力增加时，应变不会马上增加，而会有一个时间的延迟；相对的，应力减少时，应变也不会马上的减低下来，也是会延迟一段时间才减低下来。这种变形有时间延迟的效应，我们称之为黏滞性的效应，这种材料称为黏滞性材料（viscous material）。黏滞性的现象事实上是「流动」的现象，所以黏滞性材料是介于固体与流体间的材料，其材料模式通常非常复杂。实务上，这种材料模式常应用在下列情形：（一）是在高温下（约熔点的一半以上）的金属，（二）是高分子材料。
Stress Strain Time Time
图4-7 Viscous Material
为了更清楚地来描述黏滞效应，我们常用creep或stress relaxation两个现象来量化黏滞效应。Creep和stress relaxation是一体的两个面、是黏滞性材料的两个很重要的现象、也是黏滞性材料的标准化实验之一。
图4-8是creep实验的示意图（creep的意义就是蠕动，或是很慢的流动）：在一个黏性材料施以固定的应力（上图），你会发现应变会随着时间慢慢增加（下图）。注意，图4-8中，当应力刚施加时，会有一段瞬间的初始应变，这是固体的特质之一，紧接着应变才慢慢增加，这个部分比较接近流体的特质。一个简单的creep的例子是受固定应力的橡皮筋，它会随着时间的增加而被越拉越长（实验可能需进行几天的时间）。塑料水桶装满水后（固定应力），一年后可能
90 第4章 ANSYS结构分析的基本观念
会变大一点（变形增加）。注意，甚至于埋在钢筋混泥土中的一条钢筋受应力后，在长温下几十年后也有可能变形增加，但是这么小的creep现象在工程上大部分是可忽略的。
Time
Time 图4-8 Creep
图4-9是stress relaxation实验的示意图：这次我们维持固定的应变，一开始会有一个瞬间产生的应力，但这个应力会随时间慢慢的减少。以橡皮筋为例，当你让它保持固定的拉伸量时，你所需要施与的力量会越来越小。当你用塑料绳绑东西，几天后会松弛，所以你最好使用较大的预应力（绑紧一点）。
Strain Stress Time Time
图4-9 Stress Relaxation Strain Stress