Vergleich von Simulation Composite Analysis mit dem progressiven Schadensmodell von Abaqus

Sehen Sie sich einen Vergleich des in Simulation Composite Analysis verwendeten progressiven Versagensmodells mit dem von Abaqus verwendeten progressiven Schadensmodell an.

Bei Verbundmaterialien bietet Abaqus ein progressives Schadensmodell an, das die Hashin-Kriterien zur Prognose des Beginns von vier verschiedenen Konstituentenausfallmodi und die Schadensentwicklungsgleichungen zur Prognose der Steifigkeitsdegradation nach Beginn verwendet. Letztere ergibt sich aus der Entwicklung jedes der vier Konstituentenschadensmodi. Dieser Abschnitt enthält einen Vergleich zwischen dem in Simulation Composite Analysis verwendeten sofortigen progressiven Versagensmodell und dem von Abaqus bereitgestellten progressiven Schadensmodell.

Es gibt einige wesentliche Unterschiede zwischen dem in Simulation Composite Analysis verwendeten sofortigen progressiven Versagensmodell und dem von Abaqus bereitgestellten progressiven Schadensmodell. Diese Unterschiede werden unten beschrieben.

1. Im progressiven Schadensmodell von Abaqus wird bei sich weiter aufbauender Verformung die Steifheit allmählich reduziert, nachdem das Anfangskriterium erfüllt ist. Im Gegensatz dazu erlegt Simulation Composite Analysis eine sofortige Steifheitsreduktion auf, die durch die einzelne Konstituente festgelegt wird, die versagt hat. Diese Art von sofortiger, einzelner Steifheitsreduktion stellt normalerweise ernste Konvergenzschwierigkeiten für Finite-Element-Codes dar. Simulation Composite Analysis wurde jedoch speziell entwickelt, um diesem Verhalten effizient zu begegnen, und weist ein sehr robustes Konvergenzverhalten auf.
2. Im progressiven Schadensmodell von Abaqus werden der Schadensbeginn und die Schadensentwicklung der Materialkonstituenten (Faser und Matrix) basierend auf den Verbunddurchschnittszuständen von Spannung und Dehnung prognostiziert. Im Gegensatz dazu verwenden die MCT-Kriterien in Simulation Composite Analysis die Konstituentendurchschnittsspannungszustände zur Prognose des Versagens in jeder einzelnen Materialkonstituente.
3. Das progressive Schadensmodell von Abaqus prognostiziert den Schadensbeginn und die Schädigungsentwicklung ausschließlich basierend auf den Spannungs- und Dehnungskomponenten in der Ebene und ignoriert dabei den Beitrag der Querspannungs- und -dehnungskomponenten. Im Gegensatz dazu prognostiziert MCT das Konstituentenversagen mithilfe des vollständigen 3D-Konstituentendurchschnitts-Spannungszustands.
4. Bei fortschreitendem Schaden berücksichtigt das progressive Schadensmodell von Abaqus nur die Steifheitsreduktion bei den Steifheiten in der Ebene (E₁₁E₂₂G₁₂), wobei die Quersteifheiten (E₃₃G₁₃A₂) unverändert bleiben. Im Gegensatz dazu berücksichtigt Simulation Composite Analysis bei eintretendem Materialkonstituentenversagen explizit die Steifheitsreduktion sowohl in der Ebene als auch die Quersteifheiten.
5. Das progressive Schadensmodell von Abaqus kann nur in Verbindung mit 2D-Kontinuumselementen und Schalenelementen verwendet werden. Simulation Composite Analysis kann in Verbindung mit 2D-Kontinuumselementen, Schalenelementen und 3D-Kontinuumselementen verwendet werden.

In diesem Abschnitt werden das progressive Schadensmodell von Abaqus und Simulation Composite Analysis jeweils verwendet, um die Ausfallreaktion der Verbundkegelstruktur zu simulieren. Aufgrund der unter Punkt 4 und 5 oben aufgeführten Unterschiede werden die Kontinuumsschalenelemente in beiden Modellen verwendet. Bei Auswahl dieser Option werden die Unterschiede aus Punkt 4 und 5 beseitigt. Als Folge resultieren etwaige Unterschiede bei der prognostizierten Ausfallreaktion der Struktur ausschließlich aus den in Punkt 1-3 oben aufgelisteten Unterschieden.

Zusätzlich zu den oben aufgeführten grundlegenden mathematischen Unterschieden stellt das progressive Schadensmodell von Abaqus eine zusätzliche Schwierigkeit dahingehend dar, dass es ziemlich schwierig und unübersichtlich zu definieren ist. Die Definition der Abaqus-Kriterien zum Schadensbeginn (Hashin) ist unkompliziert und erfordert nur Stärkenmessungen gemäß Branchenstandard:

1. Längszug- und -druckspannungslagenstärke (+S₁₁ und -S₁₁)
2. Querzug- und -druckspannungslagenstärke (+S₂₂ und -S₂₂)
3. Längs- und Querscherfestigkeit der Lage (S₁₂ und S₂₃)

Die Definition der Schadensentwicklungsbeziehungen bei Abaqus ist schwierig und verwirrend. Die vier notwendigen Parameter für die Schadensentwicklungsbeziehungen stellen die Energiemenge dar, die in jedem der vier Konstituentenausfallmodi abgeführt wird:

1. Während des Schadens für die Faserspannung abgeführte Energie (G^c_ft)
2. Während des Schadens für die Faserkompression abgeführte Energie (G^c_fc)
3. Während des Schadens für die Matrixspannung abgeführte Energie (G^c_mt)
4. Während des Schadens für die Matrixkompression abgeführte Energie (G^c_mc)

Diese Energieabfuhrkonstanten sind für die meisten unidirektionalen Verbundwerkstoffe (einschließlich AS4-3501-6) nicht ohne weiteres verfügbar. Außerdem reagiert die Konvergenzleistung des Finite-Element-Codes von Abaqus sehr empfindlich auf die für diese Energieabfuhrkonstanten ausgewählten numerischen Werte. Daher müssen Sie wahrscheinlich, auch wenn Sie Zugriff auf experimentell gemessene Energieabfuhrwerte haben, diese Werte anpassen, um das Konvergenzverhalten der Finite-Element-Lösung zu verbessern. Im Gegensatz dazu benötigt Simulation Composite Analysis diese Energieabfuhrwerte nicht; dadurch wird sogar das Konvergenzverhalten der Finite-Element-Lösung noch verbessert anstatt verschlechtert.

Die progressive Ausfallreaktion der Verbundkegelstruktur wurde mithilfe unterschiedlicher Modelle (siehe Auflistung unten) simuliert. Abgesehen von den verwendeten Ausfallkriterien waren beide Modelle identisch. Das Modell ASCA_EP1_SC8R.inp hat MCT zur Prognose des Konstituentenmaterialversagens und der Steifheitsreduktion verwendet, während das Modell ASCA_EP1_Hashin.inp das progressive Schadensmodell von Abaqus zur Prognose des Konstituentenmaterialversagens und der Steifheitsreduktion verwendet hat.

Modelle

ASCA_EP1_SC8R.inp

• Ausfallkriterien: MCT
• Elementtyp: SC8R
• Gesamtdicken-Netzdichte:
  • Verbunddeckschichten: 2 Elemente
  • Schaumstoffkern: 4 Elemente

ASCA_EP1_Hashin.inp

• Ausfallkriterien: Hashin
• Elementtyp: SC8R
• Gesamtdicken-Netzdichte:
  • Verbunddeckschichten: 2 Elemente
  • Schaumstoffkern: 4 Elemente

Ergebnisse

Für dieses spezielle Musterproblem konnte eine konvergierte Lösung nicht mit dem progressiven Schadensmodell von Abaqus erzeugt werden, nachdem der erste lokalisierte Matrixausfall aufgetreten war. Als Folge enthalten die hier gemeldeten Ergebnisse keine globale Strukturausfalllast, die mit dem progressiven Schadensmodell von Abaqus prognostiziert wurde. Die folgende Tabelle zeigt die Lastebene an, auf der jeder Ausfallereignistyp mit den beiden unterschiedlichen progressiven Schadensmodellen prognostiziert wird. Erinnern Sie sich, dass eine konvergierte Lösung mithilfe eines progressiven Schadensmodells nach einem lokalen Matrixversagen nicht erzeugt werden konnte. Durch Deaktivieren der *SCHADENSENTWICKLUNGS-Funktion des progressiven Schadensmodells von Abaqus und Verwenden des Hashin-Kriteriums zur Markierung von Matrix- und Faserversagen ohne Reduzierung der Materialsteifheit nach einem lokalen Versagen ist es möglich, ungefähr festzulegen, wann das Faserversagen eintreten würde. Dieser Wert ist ein Näherungswert, da eine Verringerung der Materialsteifheit aufgrund eines lokalen Matrixversagens ein früheres Einsetzen des Faserversagens hervorrufen kann.

Anmerkung:

1. Der Lastprozentsatz wird auf einer Skala von 0-100 % angegeben.
2. Globales Versagen wird als große Unterbrechung der Last-zu-Vertikalverschiebungs-Kurve für den 0°-Anwendungspunkt der vorher gezeigten Maximallast definiert.
3. Globales Versagen kann nicht bestimmt werden (Details finden Sie im Text).

Wie bereits gezeigt, prognostiziert das Hashin-Kriterium, dass das lokalisierte Matrixversagen bei einem höheren Lastniveau (50 %) als von MCT prognostiziert (42 %) eintritt. Dieser Unterschied ist gänzlich auf die Unterschiede bei den Kriterien für das Matrixkonstituentenversagen zurückzuführen, die von MCT und dem Hashin-Modell verwendet werden. Beispielsweise Konstituentendurchschnittsspannung im Vergleich zur Verbunddurchschnittsspannung und spezifische funktionelle Form der in jedem Modell verwendeten spannungsbasierten Ausfallkriterien.

MCT prognostiziert, dass das erste lokalisierte Faserkonstituentenversagen bei einem Lastniveau von 62 % eintritt. Das Hashin-Kriterium prognostiziert jedoch, dass das erste lokalisierte Faserkonstituentenversagen erst bei Erreichen eines Lastniveaus von 75 % eintritt. Der große Unterschied bei der Last bei Einsetzen des Faserversagens lässt sich hauptsächlich auf zwei Probleme zurückführen. Erstens verwendet MCT den Faserdurchschnitts-Spannungszustand, während das Hashin-Kriterium den homogenisierten Verbunddurchschnitts-Spannungszustand verwendet. Zweitens prognostiziert MCT eine sofortige Steifheitsreduktion in Verbindung mit dem lokalisierten Matrixversagen. Daher wird die Last viel schneller erneut auf die Fasern verteilt als vom Schadensentwicklungsmodell von Abaqus prognostiziert, das eine allmähliche Steifheitsreduktion verwendet.

MCT prognostiziert, dass das globale Strukturversagen bei einem Lastniveau von 72 % eintritt. Interessanterweise hat das Schadensentwicklungsmodell von Abaqus den Beginn des lokalisierten Faserversagens erst bei einem Lastniveau von 75 % prognostiziert. Es sollte betont werden, dass nach dem Beginn des lokalisierten Matrixversagens eine konvergierte Lösung mit dem Schadensentwicklungsmodell von Abaqus nicht mehr erzeugt werden konnte und somit die Last für ein globales Strukturversagen nicht bestimmt werden konnte.