Verwenden Sie ein Last-Verschiebungs-Diagramm, um zu bestimmen, wann ein globaler Ausfall auftritt.
Im vorherigen Abschnitt haben wir Konturendiagramme verwendet, um die Verteilung der diskreten Verbundwerkstoffausfallzustände (SDV1) innerhalb einer Verbundstruktur zu untersuchen. Durch Anzeigen dieser Konturendiagramme lässt sich erkennen, dass jeder beschädigte Bereich Materialien darstellt, deren Steifheit erheblich verringert wurde. Außerdem kann durch Untersuchen der Änderungen, die im Laufe der Zeit in diesen Konturendiagrammen auftreten, die Kaskade von lokalisiertem Materialausfall deutlich gesehen werden, die während einer progressiven Schadensanalyse auftritt. Das Anzeigen der Verteilung von Materialausfall gibt jedoch keinen Aufschluss über die gesamte Auswirkung des Materialausfalls auf die globale Steifheit der Struktur. Zudem ist es unmöglich, globalen Strukturausfall zu erkennen, indem einfach die Verteilung des Materialausfalls über die Struktur untersucht wird.
Um einen globalen Strukturausfall zu erkennen oder einer bestimmten Verteilung des Schadens eine Verringerung der strukturellen Steifheit zuzuordnen, muss zunächst die Beziehung zwischen der globalen Strukturkraft und der globalen Strukturverformung untersucht werden. Dieser Beziehungstyp wird am besten mithilfe eines einfachen 2D-Diagramms aus Kraft im Vergleich zur Verformung untersucht. Das Hauptproblem besteht jedoch darin, ein entsprechendes Maß für die globale Strukturkraft und ein entsprechendes Maß für die globale Strukturverformung auszuwählen.
Nehmen Sie als Beispiel die aus 8 Lagen bestehende Verbundplatte, die unten dargestellt ist. Beachten Sie, dass es sich um dasselbe Verbundplattenproblem handelt, das im vorherigen Abschnitt untersucht wurde. Wie im vorherigen Abschnitt im Diagramm des progressiven Schadens zu sehen war, ist die Verteilung des Schadens in der Verbundplatte zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf der Analyse dargestellt. Durch einfaches Anzeigen der Konturendiagramme kann jedoch nicht nachvollzogen werden, wie sich die einzelnen Schadensverteilungen auf die globale Struktursteifheit der Verbundplatte auswirken. Um die Degradation der globalen Struktursteifheit nachzuvollziehen, die sich aus dem lokalisierten Ausfall in der gesamten Verbundplatte ergibt, muss ein einfaches 2D-Diagramm aus globaler Strukturkraft im Vergleich zur globalen Strukturverformung untersucht werden. Da diese Verbundplatte eine gleichmäßige axiale Verschiebung entlang der oberen Kante der Platte aufweist, dient die Verschiebung als entsprechendes Maß für die Gesamtstrukturverformung in der Platte. In ähnlicher Weise dient die gesamte axiale Reaktionskraft entlang der oberen Kante der Platte als entsprechendes Maß für die globale Strukturkraft in der Platte. Diese gesamte Reaktionskraft erhalten Sie, indem Sie die Knotenreaktionskräfte aller Knoten an der oberen Kante der Platte (siehe zweites Bild unten) addieren. Im dritten Bild unten ist ein Diagramm der globalen Strukturkraft im Vergleich zur globalen Strukturverformung für die Verbundplatte dargestellt.
Beginnend mit einer erzwungenen Verschiebung von 0.13 verschlechtert sich die Gesamtsekantensteifheit sehr schnell. Wenn die axiale Verschiebung weiter erhöht wird, kann die Struktur der zusätzlichen Verschiebung mit zusätzlicher Strukturkraft nicht mehr standhalten.
Eine Untersuchung des Last-Ablenkungs-Diagramms zeigt, dass die globale Kraft-/Verschiebungsreaktion der Verbundstruktur linear bleibt, bis die erzwungene Verschiebung einen Wert von ca. 0.095 erreicht. Beim Untersuchen von Teil C der Konturendiagramme im vorherigen Abschnitt kann interessanterweise festgestellt werden, dass die Verbundplatte zu dem Zeitpunkt, zu dem die erzwungene axiale Verschiebung den Wert 0.08 erreicht hat, einen beträchtlichen Matrixkonstituentenausfall entlang der vertikalen Kanten der kreisförmigen Bohrung akkumuliert hat. Dieser Grad an Matrixkonstituentenversagen reicht jedoch nicht aus, um die Auswirkungen auf die globale Steifheit der Verbundplatte visuell erkennbar zu machen. Während die erzwungene Verschiebung von 0.095 auf ca. 0.13 erhöht wird, verringert sich die globale Steifheit der Verbundplatte oben im Last-Verschiebungs-Diagramm sichtbar. Die Struktur ist jedoch immer noch in der Lage, mit zunehmender Strukturkraft auf die zunehmende Verschiebung zu reagieren.
Beim Untersuchen von Teil D der Konturendiagramme im vorherigen Abschnitt wird ersichtlich, dass die Verbundplatte bei einer erzwungenen Verschiebung von 0.112 einen geringfügigen Faserkonstituentenausfall entlang der vertikalen Kanten der kreisförmigen Bohrung aufweist. Beachten Sie, dass dieser lokalisierte Faserkonsituentenausfall die Verbundplatte bisher nicht daran gehindert hat, mit einer erhöhten Strukturkraft auf die zunehmende Verschiebung zu reagieren. Wenn die erzwungene Verschiebung einen Wert von etwa 0.133 erreicht, reduziert sich die globale Steifheit der Verbundplatte deutlich, was auf eine bedeutende Kaskade an lokalisiertem Faserkonstituentenausfall hinweist (d. h., es ist ein schwerwiegender Fehler aufgetreten). Wenn die erzwungene Verschiebung auf einen Wert über 0.133 erhöht wird, reagiert die Verbundplatte nicht mehr mit erhöhter Strukturkraft auf die zunehmende Verschiebung. Stattdessen bleibt die Gesamtstrukturkraft in der Verbundplatte relativ konstant, was darauf hindeutet, dass die Verteilung des lokalisierten Ausfalls zu schnell ist, um eine erhöhte Strukturkraft zu erzeugen. Wie jedoch durch die zwei gestrichelten Linien im Last-Verschiebungs-Diagramm oben dargestellt ist, nimmt die Gesamtsekantensteifheit der Verbundplatte weiter ab, obwohl die Gesamtstrukturkraft relativ konstant bleibt.
Es gibt viele Möglichkeiten, einen globalen Strukturausfall zu definieren. Der genaue Punkt, der den globalen Strukturausfall signalisiert, hängt von der vorgesehenen Verwendung der Verbundplatte ab. Hier sollte hervorgehoben werden, dass zum Erkennen eines globalen Strukturausfalls eine Untersuchung der globalen Strukturkraft im Vergleich zur globalen Strukturverformung erforderlich ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie mit Konturendiagrammen von MCT-Zustandsvariablen (insbesondere SDV1) ein klares Bild über das Ausmaß des lokalisierten Ausfalls zu einem bestimmten Zeitpunkt erhalten. Um Schadensverteilungen mit einer abnehmenden Gesamtsteifheit der Verbundstruktur zu korrelieren, müssen Sie Diagramme der globalen Strukturkraft im Vergleich zur globalen Strukturverformung untersuchen. Auf diese Weise können Sie beobachtete Veränderungen bei der globalen Steifheit der Struktur bestimmten Schadensverteilungen zuordnen.