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概述：

本仿真通过一个直观的案例阐释了金属塑性的概念：将四根铜线扭绞在一起，形成一根更粗的导线。塑性变形是这些铜线能够相互结合为一体的关键。

目标：

学习金属塑性的一种工程应用。

步骤：

带塑性的铜线仿真设置：

1、打开 ANSYS Workbench，创建一个 “静态结构（Static Structural）” 分析系统。

2、定义材料：从 Engineering Data 的 “通用材料库” 中添加铜材料；添加双线性各向同性硬化模型以定义塑性，设置屈服强度为 33MPa，切线模量为 100MPa。

3、导入几何模型（图 1）。

图1 铜线的几何模型

4、为零件分配材料并定义接触。在所有铜线之间定义无摩擦接触。选择铜线右端的顶点，创建一个转动副（Revolute Joint），该转动副仅允许绕Z轴旋转（见图1）。

5、划分网格。设置全局网格尺寸为2mm，对铜线进行网格划分。

6、定义分析设置与边界条件。设置3个时长为1秒的分析步：

• 第1步：加载过程

• 第2步：卸载过程

• 第3步：无载荷状态，使线材可自由变形。

全程固定线材左端，在第一步向接头施加 21N・mm 的力矩，第二步将力矩逐渐降至 0，第三步彻底移除该载荷。

7、运行仿真。总变形的等值线图如图 2 所示。线材在加载过程中产生塑性变形，在第 2 步和第 3 步中形状不再变化。塑性应变的等值线图如图 3 所示。

a. 加载峰值状态下线材的变形形状

b. 载荷移除后线材的变形形状

图2. 不同时刻的总变形等值线图（考虑塑性）

图3. 塑性应变x分量的等值线图

无塑性变形的铜线：

8、运行无塑性变形工况。在Workbench中复制分析系统，移除材料属性中的塑性模型并重新运行仿真。由于纯弹性行为会产生更高的应力，使线材旋转360度需要1032N·mm的力矩。无塑性变形时，线材表现出完全不同的行为：一旦移除力矩，线材会恢复原始形状（图4）。

a. 加载峰值状态下的线材变形形状

b. 载荷移除后线材的变形形状

图4. 不同时刻的总变形等值线图（无塑性变形）

总结：

本案例通过铜线扭转仿真，阐释了金属塑性的概念，以及考虑塑性因素对于精确预测材料力学行为的重要性。