Vergleich von Simulation Composite Analysis mit linearen elastischen Abaqus-Ausfallkriterien

Vergleichen Sie die Prognosen des Ausfallbeginns für eine lineare elastische Analyse.

In Abaqus Standard werden fünf Ausfallkriterien für die Verwendung in linearen elastischen Analysen bereitgestellt: vier spannungsbasierte Kriterien und ein dehnungsbasiertes Kriterium. Der praktische Nutzen dieser linearen elastischen Ausfallkriterien ist eher eingeschränkt, da sie nur das Auftreten von lokalisiertem Versagen, jedoch nicht die Auswirkungen des lokalisierten Versagens prognostizieren. Mit anderen Worten: Wenn eines der Abaqus-Ausfallkriterien prognostiziert, dass ein Versagen eintritt, gibt es keine zugehörige Steifheitsreduktion. Die Prozesse der Lastneuverteilung und des progressiven Versagens werden somit nicht dargestellt. Im Gegensatz dazu prognostiziert Simulation Composite Analysis nicht nur lokalisiertes Versagen, sondern auch lokalisierte Steifheitsreduktion. Weiterhin verwendet das lineare elastische Ausfallkriterium von Abaqus den homogenisierten Verbundzustand von Spannung oder Dehnung zur Prognose des Versagens des homogenisierten Verbundmaterials, wohingegen Simulation Composite Analysis die Konstituentendurchschnittsspannung nutzt, um das Versagen jedes Konstituentenmaterials unabhängig vorherzusagen.

In diesem Beispielproblem kann der Verbundkegel vor dem globalen Versagen als linear elastisch angenommen werden. Darin kann der von Simulation Composite Analysis prognostizierte Ausfallbeginn mit dem Ausfallbeginn verglichen werden, der von den anderen Abaqus-Ausfallkriterien prognostiziert wird. Die von Abaqus bereitgestellten Fehlerkriterien gelten für allgemein orthotrope Materialien. Für dieses Beispielproblem wird jedoch ein transversal isotropes Materialmodell sowohl für die Abaqus-Ausfallkriterien als auch für Simulation Composite Analysis verwendet. Einer der Nachteile der linearen elastischen Ausfallkriterien von Abaqus ist, dass sie vollständig auf einer angenommenen Bedingung der Ebenenspannung beruhen. Aus diesem Grund können sie nur in 2D-Kontinuumselementen oder Schalenelementen der Ebenenspannung verwendet werden. Während Simulation Composite Analysis einen allgemeinen 3D-Spannungszustand in den entsprechenden Ausfallkriterien verwendet, werden Kontinuumsschalenelemente (SC8R) im Vergleich verwendet, um die Einschränkungen der linearen elastischen Ausfallkriterien von Abaqus auszugleichen.

Im Fall von Verbundlagen wird der Lagenausfall als Ausfall der ersten Lage angesehen. Der Kürze halber werden nur die maximalen Spannungskriterien von Abaqus und die Tsai-Wu-Ausfallkriterien (spannungsbasierten Ausfallkriterien) mit den MCT-Ausfallkriterien von Simulation Composite Analysis verglichen. Weitere Informationen zur Formulierung der maximalen Spannungskriterien und Tsai-Wu-Ausfallkriterien finden Sie in Abschnitt 18.2.3 des Benutzerhandbuchs der Abaqus-Analyse.

Modelle

ASCA_EP1_SC8R.inp

ASCA_EP1_stressBasedFailure.inp

Ergebnisse

Die folgende Tabelle zeigt die Lastebene an, auf der jeder Ausfallereignistyp mit den drei unterschiedlichen Ausfallkriterien prognostiziert wird. Die folgende Darstellung zeigt die Last-Vertikalverschiebungs-Kurven für den Lastanwendungspunkt bei 0° an.
Anmerkung: Die maximalen Spannungskriterien und die Tsai-Wu-Ausfallkriterien liefern nur Informationen zum Ausfallbeginn für das homogenisierte Verbundmaterial; damit prognostizieren diese Kriterien, dass sowohl das Matrix- als auch das Faserversagen beim selben Lastniveau (43-45 %) beginnen. Die MCT-Kriterien prognostizieren, dass das Matrixkonstituentenversagen bei einer Last von 42 % und das Faserkonstituentenversagen bei einer Last von 62 % beginnt.

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).
  4. Verbundlagenausfall

Die Darstellung unten zeigt die Last-Verschiebungs-Kurven für den Lastanwendungspunkt bei 0°. Bevor der globale Ausfall erreicht wird (72 %), erzeugen beide Methoden ähnliche Prognosen für Gesamtstruktursteifheit. Wenn die linearen elastischen Materialausfallkriterien aus Abaqus verwendet werden, wird die Materialsteifheitsdegradation nicht berücksichtigt. Daher kann die Schadensanalyse nur bis zu dem Punkt fortfahren, bei dem der lokalisierte Ausfallbeginn prognostiziert ist. Die Fähigkeit von Simulation Composite Analysis, die Materialsteifheit an Integrationspunkten zu degradieren, die versagt haben (entweder Matrix- oder Faserversagen), bietet die einzigartige Möglichkeit, das Fortschreiten des lokalen Ausfallbeginns bis zum schließlichen globalen Versagen präzise zu erfassen. Ein wichtiges Konzept, das beachtet werden sollte, ist, dass die Verbundstruktur den Großteil der Struktursteifheit weit über den Beginn des lokalen Ausfalls hinaus behält. Konstruktionen, bei denen das Versagen mithilfe des Ausfalls der ersten Lage prognostiziert wird, sind häufig extrem konservativ, wodurch die vollen Fähigkeiten der Verbundstruktur nicht erkannt werden. Zugleich können Sie das Verhalten nach dem Ausfall der Struktur mit Simulation Composite Analysis genau beschreiben; dies ist bei den Ausfallkriterien von Abaqus nicht möglich.

Übergeordnetes Thema: Vergleich von Simulation Composite Analysis mit aktuell verfügbaren Abaqus-Ausfallkriterien