10/07/2011

Workbench–Mechanical Metal Plasticity

The following will be covered in this Chapter:

– Background Elasticity/Plasticity

– Theory

Yield Criteria

Hardening Rule

– Procedure

– Workshop

The capabilities described in this section are generally applicable to ANSYS Structural licenses and above.

– Exceptions will be noted accordingly

A. Metal Plasticity Overview

What is plasticity?

When a ductile material experiences stresses beyond the elastic limit, it will yield, acquiring large permanent deformations.

– Plasticity refers to the material response beyond yield.

– Plastic response is important for metal forming operations.

– Plasticity is also important as an energy-absorbing mechanism for structures in service.

Materials that fail with little plastic deformation are said to be brittle.

Ductile response is safer in many respects than is brittle response.

This Chapter will review some basics of plasticity by defining certain terminology.

Review of Elasticity:

Before proceeding to a discussion on plasticity, it may be useful to review elasticity of metals.

– In elastic response, if the induced stresses are below the material’s yield strength, the material can fully recover its original shape upon unloading.

– From a standpoint of metals, this behavior is due to the stretching but not breaking of chemical bonds between atoms. Because elasticity is due to this stretching of atomic bonds, it is fully recoverable. Moreover, these elastic strains tend to be small.

– Elastic behavior of metals is most commonly described by the stress-strain relationship of Hooke’s Law:

Review of Plasticity:

Plastic deformation results from slip between planes of atoms due to shear stresses (deviatoric stresses). This dislocation motion is essentially atoms in the crystal structure rearranging themselves to have new neighbors

– results in unrecoverable strains or permanent deformation after load is removed.

– slipping does not generally result in any volumetric strains (condition of incompressibility), unlike elasticity

Rate-Independent Plasticity:

If the material response is not dependent on the rate of loading or deformation, the material is said to be rate-independent.

– Most metals exhibit rate-independent behavior at low temperatures (< 1/4 or 1/3 melting temperature) and low strain rates.

Engineering vs. True Stress-Strain:

While engineering stress-strain can be used for small-strain analyses, true stress-strain must be used for plasticity, as they are more representative measures of the state of the material.

Engineering vs. True Stress-Strain (cont’d):

If presented with engineering stress-strain data, one can convert these values to true stress-strain with the following approximations:

– Up until twice the strain at which yielding occurs:

– Up until the point at which necking occurs:

– Note that, only for stress conversion, the following is assumed:

Material is incompressible (acceptable approximation for large strains)

Stress distribution across cross-section of specimen is assumed to be uniform.

– Beyond necking:

There is no conversion equation relating engineering to true stress-strain at necking. The instantaneous cross-section must be measured.

B. Yield Criterion

The yield criteria is used to relate multiaxial stress state with the uniaxial case.

– Tensile testing on specimens provide uniaxial data, which can easily be plotted on one-dimensional stress-strain curves, such as those presented earlier in this section.

– The actual structure usually exhibits multiaxial stress state. The yield criterion provides a scalar invariant measure of the stress state of the material which can be compared with the uniaxial case.

In general, a stress state can be separated into two components.

– Hydrostatic stress - generates volume change.

– Deviatoric stress - generates angular distortion.

The von Mises yield criterion predicts that yielding will occur whenever the distortion energy in a unit volume equals the distortion energy in the same volume when uniaxially stressed to the yield strength.

– From this theory, a scalar invariant (von Mises equivalent stress) is derived as:

When von Mises equivalent stress exceeds the uniaxial material yield strength, general yielding will occur.

If plotted in 3D principal stress space, the von Mises yield surface is a cylinder.

At the edge of the cylinder (circle), yielding will occur.

No stress state can exist outside of the cylinder.

Instead, hardening rules will describe how the cylinder changes with respect to yielding.

C. Hardening Rules

The hardening rule describes how the yield surface changes (size, center,shape) as the result of plastic deformation.

The hardening rule determines when the material will yield again if the loading is continued or reversed.

– This is in contrast to elastic-perfectly-plastic materials which exhibit no hardening -- i.e., the yield surface remains fixed.

Workbench-Mechanical Diagnostics

Since some nonlinear structural analyses can be challenging to solve, understanding how to diagnose non-convergence problems is critical in obtaining answers.

The following will be covered in this section:

– Solver Output

– Monitoring the Solution

– Newton-Raphson Residuals

The capabilities described in this section are generally applicable to ANSYS Structural licenses and above.

– Exceptions will be noted accordingly

A. Solution Information

In Chapter 2, the Solution Information branch was introduced

– Recall that with the Solution Information branch, the detailed Solver Output from ANSYS can be reviewed, and convergence graphs, such as the Force Convergence behavior, can be plotted.

A “Messages” Window located directly below the Solution Information Worksheet offers a summary listing of some general warnings and errors.

– RMB on any message to:

--Go to Object (Highlights Project Tree Object relevant to the message)

--Show Full Message in separate expanded window

--Copy message (to separate text file)

--Delete message from list

The Solver Output can provide detailed text output about the solution. It is useful to become familiar with how to read this file.

1) The beginning of the Solver Output simply shows the ANSYS license used (in this case, ANSYS Multiphysics) and the version number.

2) Solver Output records the element technology being activated based on the element order chosen (midside nodes) and the material association. See Appendix B for details on Element Technology.

3) Upon scrolling down until a series of asterisks are encountered, the reading of the finite element data by the solver can be seen.

This listing is useful, as will be shown later, because it not only provides information on how many parts are in the model, but the Contact Region ID numbers are listed here

It is instructive to note that while Contact Regions can be given any name in Simulation, the ANSYS solver treats each Contact Region with a unique number (ID). For debugging purposes, it is useful to find out which Contact Region has which ID number. For example, in the above snippet, Contact Region “Teeth 3” is referenced by contact ID 9 and 10.

4) When the equation solution is initiated, the section of the output will be shown as on the right

The useful things to review here are the equation solver used(if left at “Program Chosen” or manually specified), whether large deflection effects are on or off, whether nonlinear material effects are considered (if plasticity is present), and the number of substeps used.

The review of this section of the Solver Output is not critical, but it indicates when the matrices are being solved and what the solution options specified in Simulation were.

5) Details of contact elements are then printed next.

Here, various options related to contact elements, including the contact Normal Stiffness and Pinball Radius will be listed

Any NOTE or WARNING messages printed in this section are useful to review.

For example, initial penetration or gaps (in active unit length) will be shown in this area

http://www.cadfamily.com/html/Article/Workbench-Mechanical%20Diagnostics_856_1.htm

http://www.cadfamily.com/html/Article/Workbench-Mechanical%20Diagnostics_856_2.htm

http://www.cadfamily.com/html/Article/Workbench-Mechanical%20Diagnostics_856_3.htm

Modelli 2D –Usare il GESTORE CICLI FISSI Part B

 

La barra degli strumenti del Gestore Cicli Fissi

- Associa tutto: Analizza

l’intero modello cad e attiva

tutti i modelli per la foratura

mettendoli nello stato

“Associato”

- Dissocia tutto

Deseleziona tutti i modelli per

forare.

- Nascondi / Mostra NON

Lavorabili

Vengono barrati o meno i fori

NON lavorabili

- Utensili

- Intersezione Foro – Superficie

- Intersezione Foro Di

Raffreddamento - Modello

- Intersezione Foro Di

Raffreddamento- Foro

- Intersezione Foro – Foro

- Crea Asse Foro

Queste cinque opzioni verranno spiegate in seguito

.- Conferma:

Cambia lo stato di un modello

identificato che non e’ definito

esattamente (Da Verificare o

Violazione) in un modello

associato.

- Setup Macchina:

Serve a configurare i settaggi

della Macchina Utensile.

- Macro:

Procede all’esecuzione dei Fori

- ISO:

Accede alle utilità del post

- Help

- Esce:

Esce dalla Gestione Cicli Fiss

Sotto Menù del Gestore Cicli Fissi ottenuti con il tasto destro del Mouse.

Un click con il tasto destro del mouse nella sezione dello “Stato” produce un sotto menu di opzioni.

Di seguito ci sono le opzioni disponibili con un click con il tasto destro del mouse nella finestra di “Informazioni Cicli Fissi”.

Fare click con il tasto destro del mouse nella finestra di attributi del cerchio e si ottiene l’immagine seguente

Come si vede nella figura in alto a sinistra compare una tendina ottenuta facendo click prima con il tasto sinistro e poi con il tasto destro del mouse sulla selezione della figura.

(si seleziona il tipo di operazione).

Compaiono le seguenti voci:

- Rigenera Percorso

Serve a richiamare la tabella

riassuntiva che compare prima

dell’esecuzione dei percorsi

utensile di foratura,cosicché si

possono introdurre nuovi

cambiamenti.

Permette all’utente di

ricalcolare di nuovo il file *.Mil

- Editor Percorsi Cicli Fissi

Richiama l’editor dei percorsi

visto nel capitolo precedente.

Questa utilità permette

all’utente di cambiare l’ordine

di esecuzione dei fori,

rimuovere i fori dal gruppo e

dividere il gruppo in zone

- Simula Percorso

Serve ad attivare la

simulazione di un percorso

tramite un piccolo programma

denominato SIMULOGER.

- Verifica Collisioni

Fa la Verifica delle collisioni

- Post Processor

Compare la tabella per

eseguire i post processor

- Edita ISO

Serve a editare file ISO

- Simula ISO

Serve a simulare File ISO

- Nascondi

Controlla se il file di risultato è

mostrato nell’area grafica o è

nascosto

La finestra di stato di fresatura nel sotto-menù (Fare click con il tasto destro del mouse)

Da notare nell’immagine a fianco che si ha un foro di tipo Passante.

L’opzione Imposta Come Foro CIECO,

cambia il tipo di foro,da Passante a Cieco (nel nostro caso).

N.B.

E’ possibile fare l’operazione inversa, cioè se un foro è Cieco lo si può far diventare Passante (in tal caso nel menù comparirà la voce Imposta Come Foro PASSANTE)

Fare click con il tasto destro del mouse su un modello nella lista per trovare queste opzioni (vedere figura accanto)

- Zoom:Selezionare un tipo

di foro e poi con il tasto

destro del mouse aprire il

menù a fianco. Selezionare

Zoom e verrà ingradito al

massimo il foro che è stato

selezionato

- Seleziona Elementi

Uguali: permette all’utente

di selezionare velocemente

tutti gli elementi associati

che sono uguali per forare

e o post processare come

un gruppo.

- Elimina: permette all’utente

di cancellare un modello

dalla lista.

- Associa Elementi:

permetterà all’utente di

associare di nuovo un

modello,e normalmente

questo viene fatto dopo

modifiche a gruppi

concentrici di fori. Questo

viene fatto per attivare un

esistente modello

- Dissocia elementi serve

per rimuovere un modello

dallo stato associato.

- Nascondi. Il modello cosi’

non viene visto dall’utente

sullo schermo. Questo aiuta

a elaborare un modello

complesso senza problemi

di visualizzazione.

- Imposta Come Foro

PASSANTE. Cambia il tipo

di foro, in questo caso da

foro cieco a foro passante.

La visualizzazione

cambierà dipendendo dal

corrente stato del modello.

- Imposta Estremità Foro

a) Estremità Superiore

Inclinata

Permette all’utente di

selezionare l’altezza

iniziale di foratura di un

foro angolare che irrompe

su una superficie.

b)Estremità Inferiore

Inclinata

Permette all’utente di

selezionare la posizione di

stop della foratura di un

foro angolare che irrompe

su una superficie.

N.B.

Se L’estremità (Sup. o Inf.) è già inclinata, compariranno le voci

- Estremità Superiore Dritta

- Estremità Inferiore Dritta

per effettuare le operazioni inverse.

- Imposta Sovrametallo Su

Estremità

a) Imposta Sovrametallo Su

Estremità Superiore

b) Imposta Sovrametallo Su

Estremità Inferiore

Fanno l’offset dell’altezza o

della profondità del cerchio

modello mediante un valore

dato dall’utente per

compensare condizioni di

sovrametallo extra che

sono comparse nel pezzo

da lavorare per quanto

riguarda la forma reticolare

del modello.

- Ignora Intersezione

Non considera le

intersezioni che ha quel

particolare modello con

altri fori (che di solito

vengono marcate in

rosso)

- Conferma:Cambia lo stato

“Violazione” o “Da

Verificare” in “Associato”.

- Muovi Su…

Consente di spostare il

modello su un

Setup/Asse Utensile NON

Definito

- Aggiungi Alla Lista

Lavorazioni

Consente di aggiungere il

foro lavorato alla lista di

lavorazioni (insieme

eventualmente a quelli del

Pocket Manager) per

essere poi post processati

insieme

Lista dello stato dei file Mil

In quest’area possiamo vedere informazioni circa:

- L’operazione usata per

forare un foro.

- Il diametro del foro

- La profondità del foro

- File Lavorazione

- Eventuale nome del file

Strumenti di Analisi dei Fori

http://www.cadfamily.com/html/Article/Modelli%202D%20–Usare%20il%20GESTORE%20CICLI%20FISSI%20Part%20B_858_1.htm

 

http://www.cadfamily.com/html/Article/Modelli%202D%20–Usare%20il%20GESTORE%20CICLI%20FISSI%20Part%20B_858_2.htm