Verbundmaterial erstellen

Mit der Benutzeroberfläche "Verbundmaterial erstellen" können Sie Verbundmaterialien erstellen.

Jedes durch Simulation Composite Analysis verarbeitete Verbundmaterial wird von Abaqus als benutzerdefiniertes Material betrachtet. Die Benutzeroberfläche "Verbundmaterial erstellen" bietet eine einfache Möglichkeit zum Erstellen dieser Verbundmaterialdefinitionen in der Abaqus-Eingabedatei. Sie ermöglicht Ihnen die Auswahl eines Materials aus der Verbundmaterialdatenbank und die anschließende Auswahl einer Reihe verschiedener Optionen für die Multiscale-Konstitutivbeziehungen, die zum Definieren der thermomechanischen Reaktion des Verbundmaterials verwendet werden.

Um die Benutzeroberfläche "Verbundmaterial erstellen" zu öffnen, gehen Sie zur Hauptwerkzeugleiste und wählen Sie Plug-Ins > Autodesk > Verbundmaterial erstellen. Die Benutzeroberfläche wird wie unten dargestellt angezeigt.

Wie oben gezeigt, stehen verschiedene Optionen bei der Verwendung der Benutzeroberfläche für die Erstellung von Verbundmaterialien zur Verfügung, um einen Verbundmaterialtyp für Simulation Composite Analysis zu definieren. Jede dieser Optionen wird unten beschrieben.

1. Verbundmaterialauswahl – Wählen Sie ein Verbundmaterial aus der Simulation Composite Analysis Materialbibliothek aus. Wenn die Materialbibliothek kein Verbundmaterial enthält, das Sie in einer Analyse verwenden möchten, muss zuerst eine Materialdatendatei erstellt und der Materialbibliothek hinzugefügt werden (weitere Informationen finden Sie im Benutzerhandbuch für den Material-Manager). Nachdem ein Verbundmaterial ausgewählt ist, werden die homogenisierten (oder durchschnittlich zusammengesetzten) Konstruktionskonstanten für das Material in der Benutzeroberfläche angezeigt.
2. Umgebungsauswahl: Wenn das ausgewählte Material Eigenschaften für mehrere Umgebungen (Kombination aus Temperatur und Feuchtigkeit) enthält, sollten Sie die Umgebung auswählen, die Sie während der Analyse verwenden möchten. Nach der Auswahl werden die Materialeigenschaften für die Umgebung auf der Benutzeroberfläche angezeigt.
3. Einheitensystem: Wählen Sie das Einheitensystem aus, das zum Berechnen von Konstitutivbeziehungen und Spannungen verwendet werden soll. Vorgabemäßig verwendet Simulation Composite Analysis das Einheitensystem (N/m/K), um Konstitutivbeziehungen anzugeben und Spannung zu berechnen. Wenn das Finite-Element-Modell mit einem anderen Einheitensystem erstellt wird, muss Simulation Composite Analysis die konstitutiven Berechnungen in das für das Modell erforderliche Einheitensystem konvertieren. Zu diesem Zweck enthält Simulation Composite Analysis Konversionsfaktoren für vier häufig verwendete Einheitensysteme: N/m/K, N/mm/K, lb/in/R und lb/ft/R. Wenn das Finite-Element-Modell eines dieser vier Einheitensysteme verwendet, müssen Sie das entsprechende System aus der Dropdown-Liste auswählen. Falls das Einheitensystem des Modells nicht in der Dropdown-Liste angezeigt wird, wählen Sie das Vorgabesystem N/m/K aus. Im Abschnitt Die HIN-Datei finden Sie dann weitere Informationen darüber, wie man die HIN-Datei zum Definieren eines benutzerdefinierten Einheitensatzes verwenden kann.
4. Hauptmaterial-Koordinatensystem – Konstitutivbeziehungen und Spannungen werden von Simulation Composite Analysis im Hauptmaterial-Koordinatensystem des Verbundmaterials angegeben bzw. berechnet. Hier wählen Sie eine von zwei oder drei möglichen Ausrichtungen für das Hauptmaterial-Koordinatensystem des Verbundwerkstoffs.

   Für unidirektionale Mikrostrukturen: Das vorgegebene Hauptmaterial-Koordinatensystem ist ausgerichtet mit der Richtung '1', die an der Faserrichtung ausgerichtet ist, während die Richtungen '2' und '3' auf der Querisotropieebene des Materials liegen. Diese Vorgabeausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "1" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. In Situationen, in denen der Modellerstellungsprozess dadurch bequemer oder einfacher wird, können Sie die Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems ändern, sodass Richtung '2' auf die Faserrichtung ausgerichtet ist, während die Richtungen '1' und '3' in der Ebene der Querisoptropie des Verbundmaterials liegen. Diese Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "2" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. Wenn Sie den Wert '2' aus der Dropdown-Liste auswählen, werden die transformierten Eigenschaften auf der Benutzeroberfläche angezeigt.

   Für gewebte Mikrostrukturen: Das vorgegebene Hauptmaterial-Koordinatensystem ist ausgerichtet mit der Richtung '1', die an der Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während die Richtung '2' der Kettgarnrichtung und die Richtung '3' der Richtung außerhalb der Ebene entspricht. Diese Vorgabeausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "1" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. In Situationen, in denen der Modellerstellungsprozess dadurch bequemer oder einfacher wird, können Sie die Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems ändern, sodass Richtung '2' auf die Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während Richtung '1' der Kettgarnrichtung entspricht. Diese Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "2" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. Darüber hinaus können Sie die Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems ändern, sodass Richtung '3' auf die Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während Richtung '2' der Kettgarnrichtung entspricht. Diese Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "3" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung.

5. Kriteriumauswahl für Schadensbeginn: Wählen Sie aus, welches Ausfallkriterium Sie für das ausgewählte Material verwenden möchten. Das ausgewählte Kriterium bestimmt nur den Ausfallbeginn, aber nicht die Schadensprogression. Für unidirektionale Verbundwerkstoffe sind folgende Optionen verfügbar:
   • Benutzer (siehe Handbuch für Installation und Vorgänge)
   • MCT (Vorgabe)
   • Max. Spannung
   • Max. Dehnung
   • Tsai-Hill
   • Tsai-Wu
   • Christensen
   • Hashin
   • Puck
   • LaRC02
   Für gewebte Verbundwerkstoffe sind folgende Optionen verfügbar:

   • Benutzer (siehe Simulation Composite AnalysisHandbuch für Benutzer-Unterprogramme)
   • MCT (Vorgabe)
   • Max. Spannung
   • Max. Dehnung

   Weitere technische Informationen zu den einzelnen Kriterien finden Sie im Theoriehandbuch.

   Die Schaltfläche "Parameter" wird verfügbar, wenn das ausgewählte Kriterium zusätzliche Parameter enthält, die angegeben werden müssen. Durch Klicken auf diese Schaltfläche wird ein neues Fenster geöffnet, in dem Sie die Parameter für das ausgewählte Kriterium definieren können. Folgende Parameter müssen für jedes Kriterium definiert werden:

   • MCT (nur unidirektionale Verbundwerkstoffe)
     • Druckinduzierte Festigkeitsverbesserung: Wählen Sie, ob die experimentell beobachtete Verstärkung des Verbundwerkstoffs beim Vorhandensein einer hydrostatischen Druckspannung berücksichtigt werden soll oder nicht. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen aktivieren, überwacht Simulation Composite Analysis das Niveau der hydrostatischen Druckspannung in der Matrixkonstituente. Wenn das hydrostatische Druckspannungsniveau in der Matrixkonstituente den Grenzwert überschreitet, wird die Stärke der Matrixkonstituente und der Faserkonstituente entsprechend dem Grad des hydrostatischen Druckspannungsniveaus in der Matrixkonstituente nach oben skaliert. Weitere Informationen zur hydrostatischen Verstärkung des Verbundwerkstoffs finden Sie in Anhang A und im Theoriehandbuch. Diese Funktion wird nicht für Materialien in Abaqus/Explicit-Analysen unterstützt.
     • Nichtlinearität vor Ausfall: Wählen Sie, ob die häufig bei faserverstärkten Verbundmaterialien beobachtete nichtlineare Längsscherspannungs- bzw. -dehnungsreaktion berücksichtigt werden soll oder nicht. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen aktivieren, verwendet Simulation Composite Analysis eine in vier Segmente unterteilte, stückweise lineare Darstellung der Längsscherspannungs- bzw. -dehnungsreaktion (z. B. im Vergleich zu , und im Vergleich zu ), während die Reaktionen der anderen vier Spannungs- und Dehnungskomponenten durch diese Funktion nicht verändert werden. Die gesamte Reihe von drei separaten Reduktionen in den Längsschubmodulen des Verbundwerkstoffs wird so durchgeführt, dass die stückweise lineare Längsschubreaktion genau mit den experimentell gemessenen Längsschubdaten für den Verbundwerkstoff übereinstimmt.

       Es sollte betont werden, dass diese Funktion nur für jene unidirektionalen Verbundmaterialien verfügbar ist, bei denen eine Längsscherspannungs- bzw. -dehnungskurve beim MCT-Materialcharakterisierungsprozess bereitgestellt wurde. Wenn diese Funktion für ein Verbundmaterial ohne Längsscherspannungs- bzw. -dehnungskurve angefordert wird, gibt Simulation Composite Analysis eine Fehlermeldung zur Laufzeit aus und die Ausführung wird angehalten. Weitere Informationen zur Funktion "Nichtlinearität vor Ausfall" finden Sie in Anhang A dieses Benutzerhandbuchs, im Theoriehandbuch und unter Beispiel: Problem 2. Weitere Informationen zur Charakterisierung neuer Verbundmaterialien mithilfe der Funktion "Nichtlinearität vor Ausfall" finden Sie im Benutzerhandbuch für den Material-Manager. Diese Funktion wird nicht für Materialien in Abaqus/Explicit-Analysen unterstützt.

   • Tsai Wu
     • f* – Kreuzproduktterm. Dieser Wert muss im Bereich 0.5 ≤ f* ≤ 0.0 liegen und wird nur verwendet, wenn σ_biax null ist.
     • σ_biax – Äquibiaxialspannung bei Versagen. Wenn unbekannt, kann dieser Wert null sein.
   • Hashin
     • α – Gibt die Höhe des Beitrags vom Längsschub bis zum Faserausfallkriterium an. Dieser Wert muss im Bereich 0.0 ≤ α ≤ 1.0 liegen.
6. Methodenauswahl für Schadensentwicklung – Wählen Sie die Methode für die Berechnung der Schadensentwicklung aus (Steifheitsreduktion). Es sind drei Optionen verfügbar:
   • Sofortig – Wenn diese Methode ausgewählt ist, evaluiert Simulation Composite Analysis üblicherweise den Ausfallindex des ausgewählten Schadensbeginnkriteriums, um zu ermitteln, ob entweder die Faser oder Matrix (für MCT) oder die Lage (verbleibende Ausfallkriterien) ausgefallen ist. Falls der Ausfall prognostiziert wird, wird die Steifheit der ausgefallenen Konstituenten und/oder Verbundwerkstoffe entsprechend spontan reduziert. Es sollte betont werden, dass eine sofortige Reduzierung der Steifheit effektiv zu einer nicht kontinuierlichen, stückweise linearen Spannungs-/Dehnungsreaktion für die Konstituente und den Verbundwerkstoff führt. Wenn diese Art der separaten Materialreaktion jedoch unabhängig voneinander auf jeden der Integrationspunkte in einem großen Finite-Element-Modell angewendet wird, ist das Endergebnis ein allmählicher (oder progressiver) Zerfall der gesamten Steifheit der Verbundstruktur (daher der Name Progressive Schadensanalyse).
   • Energiebasiert – (nur unidirektionale Verbundwerkstoffe und MCT-Ausfallkriterium) Wenn diese Methode ausgewählt ist, verwendet Simulation Composite Analysis eine stückweise lineare Degradation der Verbundwerkstoffsteifheit nach einem Ausfallereignis, während die gesamte von Ihnen bereitgestellte Energie beibehalten wird. Die Art des Ausfallereignisses (z. B. Faser- oder Matrixausfall) bestimmt, welche Verbundwerkstoffsteifheiten mit steigender Dehnung linear reduziert werden. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die einzelnen Ausfallkriterien einfach den Beginn eines Ausfallereignisses identifizieren. In dem Maße, wie sich die Lagenverformung erhöht, wird die Steifheit des Verbundwerkstoffs einer Reihe von diskreten Reduktionen ausgesetzt, bis sie schließlich ihr Mindestniveau erreicht und das vollständige Versagen der Konstituente angezeigt wird. Beachtenswert ist, dass ein einheitlicher Satz von Materialeigenschaften zwischen den mikroskopischen und makroskopischen Skalierungen erzwungen wird, damit die Eigenschaften des Verbundmaterials zusammen mit der Matrix nach dem Ausfall der Matrixkonstituente zerfallen können. Beispiel: Ein Matrixausfallereignis führt zu einer linearen Degradation der Verbundwerkstoffe , , , und , während auch die Matrizen , , , , und zerfallen. Ein Faserausfallereignis führt zwar zu einer linearen Degradation der Verbundwerkstoffe , und , aber die Konstituenten zerfallen nicht mehr, da die Spannungen und Dehnungen in den Konstituenten nicht mehr nützlich sind. Weitere Informationen zur energiebasierten Degradation und ihren Auswirkungen auf die Analysen finden Sie in Anhang A und im Theoriehandbuch.
   • Keine – Diese Auswahl deaktiviert jede Art von Schadensentwicklung und das Produkt verwendet lineare elastische Konstitutivbeziehungen für die gesamte Analyse. Mit anderen Worten: Die Elementsteifheit wird nie verringert werden, selbst wenn das Versagen durch das Schadensbeginnkriterium prognostiziert wird.
Die Schaltfläche "Parameter" wird verfügbar, wenn die ausgewählte Methode zusätzliche Parameter enthält, die angegeben werden müssen. Durch Klicken auf diese Schaltfläche wird ein neues Fenster geöffnet, in dem Sie die Parameter für die ausgewählte Methode definieren können. Folgende Parameter müssen für jede Methode definiert werden:
• Sofortig
  • Eigenschaften von ausgefallenen normalen Geweben berechnen: Bei Auswahl dieser Option erzwingt Simulation Composite Analysis die Berechnung der Eigenschaften von ausgefallenen normalen Geweben mithilfe der Matrix- und Faserdegradationsniveaus, die auf der Benutzeroberfläche angegeben sind. Wenn diese Option nicht ausgewählt ist, werden die fehlgeschlagenen Materialeigenschaften verwendet, die bei Erstellung der Materialdatendatei mithilfe von Composite Material Manager berechnet wurden. Beispiel: Wenn bei Erstellung (mithilfe von Composite Material Manager) des Materials der Matrixdegradationswert 0.7 und der Faserdegradationswert 0.015 betrugen und diese Option nicht ausgewählt ist, werden die fehlgeschlagenen Materialeigenschaften entsprechend einer Matrixdegradation von 0.7 und einer Faserdegradation von 0,015 verwendet. Wenn jedoch diese Option ausgewählt ist und Sie geben eine Matrixdegradation von 0.8 und eine Faserdegradation von 0.001 auf der Benutzeroberfläche an, dann werden die fehlgeschlagenen Materialeigenschaften entsprechend eine Matrixdegradation von 0.8 und einer Faserdegradation von 0.001 verwendet.
  • Matrixsteifheit nach Ausfall: Dieser Wert ist ein Anteilswert zum Definieren der beschädigten E-Module der Matrixkonstituenten, nachdem ein Ausfall der Matrixkonstituente aufgetreten ist. Das heißt, dieser Wert gibt das Verhältnis der ausgefallenen Module der Matrix zu den nicht ausgefallenen Modulen der Matrix an. Ein Wert von 0.1 bedeutet, dass nach dem Auftreten eines Matrixausfalls an einem Integrationspunkt alle sechs Module der Matrix (, , , , und ) auf 10 % der ursprünglichen unbeschädigten Module der Matrix reduziert werden. Der Wert für die Matrixsteifheit nach Ausfall muss größer als 0 und niedriger oder gleich 1 sein.
  • Fasersteifheit nach Ausfall: Dieser Wert ist ein Anteilswert zum Definieren der beschädigten E-Module der Faserkonstituente, nachdem der Ausfall der Faserkonstituente aufgetreten ist. Das heißt, dieser Wert gibt das Verhältnis der ausgefallenen Module der Faser zu den nicht ausgefallenen Modulen der Faser an. Der Wert 0.01 bedeutet, dass nach einem Faserversagen an einem Integrationspunkt alle sechs Faserkonstituentenmodule (, , , , und ) auf 1 % der ursprünglichen unbeschädigten Faserkonstituentenmodule reduziert werden. Der Wert für die Fasersteifheit nach Ausfall muss größer als 0 und niedriger oder gleich 1 sein.
• Energiebasiert
  • Matrixenergie: Dieser Wert gibt die gesamte vor und nach einem Matrixausfall verbrauchte Energie an, wobei von einer linearen Abnahme der Steifheit des Verbundwerkstoffs nach einem Fehlerereignis ausgegangen wird. Das heißt, die Verbundwerkstoffe , , , und zerfallen nach einem Matrixausfallereignis entsprechend dieser Energie, dem Spannungszustand des Verbundwerkstoffs bei Matrixausfall und dem Elementvolumen. Weitere Informationen zur Berechnung der Energiewerte finden Sie in Anhang A und im Theoriehandbuch.
  • Faserenergie: Dieser Wert gibt die gesamte vor und nach einem Faserausfall verbrauchte Energie an, wobei von einer linearen Abnahme der Steifheit des Verbundwerkstoffs vor und nach einem Faserausfallereignis ausgegangen wird. Das heißt, die Verbundwerkstoffe , und zerfallen nach einem Faserausfallereignis linear entsprechend dieser Energie, dem Spannungszustand des Verbundwerkstoffs bei Faserausfall und dem Elementvolumen. Weitere Informationen zur Berechnung der Energiewerte finden Sie in Anhang A und im Theoriehandbuch.
  • Durchschnittliche Elementdicke: Dieser Wert gibt die durchschnittliche Dicke der dreidimensionalen Elemente an, die dem Material zugewiesen sind, wobei die Dicke über die Lagendicke gemessen wird. Für zweidimensionale Elemente (z.B. Schalen, ebene Spannung) sollte dieser Wert auf 1.0 festgelegt werden.
7. Konstituentendurchschnittsspannungs-/-dehnungszustände ausgeben: Sie können auswählen, ob die Felder für die durchschnittliche Faserspannung und -dehnung und die durchschnittliche Matrixspannung und -dehnung in der Ausgabedatenbankdatei (ODB-Datei) ausgegeben werden sollen oder nicht. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen für einen unidirektionalen Verbundwerkstoff aktivieren, erhöht sich die Anzahl der in der ODB-Datei ausgegebenen MCT-Statusvariablen von 7 auf 35 (von 11 auf 35, wenn energiebasierter Zerfall angefordert ist). Wenn Sie dieses Kontrollkästchen für einen gewebten Verbundwerkstoff aktivieren, erhöht sich die Anzahl der in der ODB-Datei ausgegebenen MCT-Zustandsvariablen von 7 auf 90. Das Ausdrucken dieser zusätzlichen Zustandsvariablen führt zu einer leichten Erhöhung der gesamten Laufzeit und zu einer deutlichen Vergrößerung der ODB-Datei. Daher sollte diese Option nur aktiviert werden, wenn die einzelnen durchschnittlichen Spannungs- und Dehnungszustände relevant sind.
8. Explizite Analyse: Wählen Sie, ob dieses Material für Abaqus/Explicit-Analysen verwendet werden soll oder nicht. Bei Auswahl dieser Option wird das Material mit der korrekten Anzahl für die *DEPVAR-Definition und außerdem die *DENSITY-Definition erstellt, wenn eine Dichte für das Material verfügbar ist (es muss bei der Erstellung des Materials mithilfe von Composite Material Manager bereitgestellt worden sein).

Klicken Sie nach Durchführung der oben genannten Auswahlen in der Benutzeroberfläche auf "OK", um ein benutzerdefiniertes Verbundmaterial zu erstellen, das mit Simulation Composite Analysis kompatibel ist. Wenn Sie auf "OK" geklickt haben, wird in Abaqus/CAE ein neues Material erstellt, und die entsprechenden Abaqus-Schlüsselwortanweisungen werden zum Modell hinzugefügt.