Auswirkung der Gesamtdicken-Netzdichte auf die Reaktion bei progressivem Ausfall

Prognostizieren Sie die Ausfallreaktion der Verbundstruktur bei progressivem Ausfall mit vier Finite-Element-Modellen.

Die Modelle unterscheiden sich nur hinsichtlich der über die Dicke des Sandwichelements verteilten Anzahl der Elemente, d. h., Materialien, Elementtyp, Netzdichte in der Ebene; Randbedingungen sind in jedem Modell identisch. Die vier verschiedenen Grade der Gesamtdicken-Netzdichte sind unten aufgeführt. Jedes der vier Modelle verwendet C3D8R-Elemente.

• Ursprüngliches Modell: 1 Element zur Erfassung des Kerns und 1 Element pro Deckschicht zur Erfassung des gesamten Layups (3 Elemente über die Gesamtdicke).
• ^1. Änderung: Erhöhung der Kern-Netzdichte, damit 4 Elemente das Kern-Profil erfassen können (6 Elemente über die Gesamtdicke).
• ^2. Änderung: Erhöhung der Deckschicht-Dichte, damit 2 Elemente das Layup jeder Deckschicht erfassen können (8 Elemente über die Gesamtdicke).
• ^3. Änderung: Erhöhung der Deckschicht-Dichte, damit vier Elemente das Layup jeder Deckschicht erfassen können (12 Elemente über die Gesamtdicke).

Idealerweise sollte ein sehr feines Gesamtdicken-Netz verwendet werden, um möglichst genaue Informationen zur Lastverteilung und Verformung im gesamten Modell bereitzustellen, doch die Laufzeitkosten beschränken häufig die Netzdichte.

Modelle

ASCA_EP1_1elemFace_1elemCore.inp

• Elementtyp: C3D8R
• Gesamtdicken-Netzdichte:
  • Verbunddeckschichten: 1 Element
  • Schaumstoffkern: 1 Element

ASCA_EP1_1elemFace_4elemCore.inp

• Elementtyp: C3D8R
• Gesamtdicken-Netzdichte:
  • Verbunddeckschichten: 1 Element
  • Schaumstoffkern: 4 Elemente

ASCA_EP1_2elemFace_4elemCore.inp

• Elementtyp: C3D8R
• Gesamtdicken-Netzdichte:
  • Verbunddeckschichten: 2 Elemente
  • Schaumstoffkern: 4 Elemente

ASCA_EP1_4elemFace_4elemCore.inp

• Elementtyp: C3D8R
• Gesamtdicken-Netzdichte:
  • Verbunddeckschichten: 4 Elemente
  • Schaumstoffkern: 4 Elemente

Ergebnisse

Die folgende Tabelle zeigt das Lastniveau an, bei dem die vier Modelle die verschiedenen Arten von Ausfallereignissen prognostizieren. Das Diagramm unten zeigt alle vertikalen Last-Verschiebungs-Kurven für die Verbundstruktur.

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.

Nach dem Vergleichen der Netzdichte-Ergebnisse können wir folgende Beobachtungen festhalten:

1. Bei Erhöhung der Gesamtdicken-Netzdichte wird der Beginn von lokalisierten Faser- und Matrixausfällen bei höheren Lastniveaus prognostiziert.

   Bei schrittweiser Erhöhung der Elementeanzahl über die Dicke der Lage verringert sich die Querschersteifheit des Modells schneller als die Steifheit in der Ebene des Modells. Aus diesem Grund tendiert das Modell bei zunehmender Gesamtdicken-Netzdichte zu einer Erhöhung der Querscherverformung auf Kosten der Verformung in der Ebene. Das Endergebnis dieses Trends ist, dass die Größenordnung der maximalen Spannungen in der Ebene tendenziell abnimmt, wenn die Gesamtdicken-Netzdichte erhöht wird. Folglich wird das Auftreten von lokalisierten Ausfällen bei höheren Lastniveaus prognostiziert.

2. Globales Versagen wird von der Netzdichte nur geringfügig beeinflusst.

   Obwohl eine Erhöhung der Gesamtdicken-Netzdichte zu einem verzögerten Beginn eines lokalen Ausfalls sowohl für die Matrix als auch für die Fasern führt, wird das prognostizierte globale Strukturversagen nicht nennenswert durch die Gesamtdicken-Netzdichte beeinflusst. Diese Beobachtung lässt den Schluss zu, dass die Eskalation von beginnenden lokalen Ausfällen bis zum globalen Strukturversagen schneller erfolgt, als die Gesamtdicken-Netzdichte erhöht wird. Es ist also vertretbar zu erwarten, dass der Übergang von lokalen Ausfällen zu einem globalen Versagen bei einem Netz mit höherer Dichte schneller erfolgt (wie der Tabelle oben zu entnehmen ist). Ein dichteres Netz erzeugt einen verfeinerten Ausfallpfad für eine Struktur aufgrund der Erhöhung der Anzahl der Gaußschen Integrationspunkte für das auszuwertende Ausfallkriterium. Ein verfeinerter Ausfallpfad ermöglicht ein schnelleres Fortschreiten von Ausfällen und damit die schnelle Entwicklung von lokalen Ausfällen zu einem globalen Versagen.