Berücksichtigen Sie thermische Restspannungen auf Lagen- und Konstituentenebene eines Verbundteils.
Bei Raumtemperatur hat eine unbelastete laminierte Verbundstruktur sowohl auf Verbundlagen- als auch auf Konstituentenmaterialebene bereits selbstausgleichende Spannungen ungleich null. Dies wird durch die anfängliche Abkühlung der Struktur von der erhöhten Aushärtungstemperatur auf Umgebungstemperatur verursacht. Auf Verbundlagenebene werden diese thermischen Restspannungen vollständig durch Unterschiede bei den thermischen Ausdehnungseigenschaften von angrenzenden Lagen verursacht. Auf Konstituentenmaterialebene (Faser/Matrix) werden die thermischen Restspannungen teils von den vorher erwähnten thermischen Restspannungen der Lagenebene und teils von den thermischen Ausdehnungseigenschaften der Faser- und Matrixmaterialien verursacht. Helius PFA kann diese vorhandenen thermischen Restspannungen auf Lagen- und Konstituentenebene explizit berücksichtigen, bevor Lasten oder Temperaturänderungen extern angewandt werden. In diesem Fall tragen die thermischen Restspannungen zum Gesamtspannungszustand des Verbundmaterials bei und beeinflussen so die mechanische Lastebene, bei der das Material versagt. Wenn Sie die Auswirkungen der thermischen Restspannungen bei der Analyse berücksichtigen möchten, muss das folgende Schlüsselwort in der HIN-Datei enthalten sein:
*CURE STRESS
Wenn das Schlüsselwort *CURE STRESS in der HIN-Datei enthalten ist, berücksichtigt Helius PFA explizit thermische Restspannungen bei der Reaktion des unidirektionalen Verbundmaterials. Dazu berechnet es die thermischen Restspannungen auf Lagen- und Konstituentenebene, die durch das Abkühlen nach dem Aushärten von der spannungsfreien Temperatur (also der Aushärtungstemperatur) auf Umgebungstemperatur verursacht werden. In diesem Fall wird die spannungsfreie Temperatur aus der Materialdatendatei (mdata-Datei) ausgelesen, und die Umgebungstemperatur entspricht 72.5 °F, 22,5 °C oder 295.65 K. Wenn diese Funktion aktiviert ist, sind thermische Restspannungen auf Lagen- und Konstituentenebene im Verbundmaterial vorhanden, bevor externe mechanische und/oder thermische Belastungen angewandt werden, die während der tatsächlichen Simulation angelegt werden. Wenn Sie ausgewählt haben, dass thermische Restspannungen bei der Analyse explizit berücksichtigt werden sollen, sollten Sie überprüfen, ob die Materialdatendatei (mdata-Datei) tatsächlich eine definierte spannungsfreie Temperatur enthält; andernfalls wird die spannungsfreie Temperatur vorgabemäßig auf 0° gesetzt, und die prognostizierten thermischen Restspannungen sind falsch.
Wenn das Schlüsselwort *CURE STRESS nicht in der HIN-Datei enthalten ist, sind thermische Restspannungen während der Simulation nicht in der Reaktion des betreffenden Verbundmaterials enthalten. In diesem Fall wird die spannungsfreie Temperatur des Verbundmaterials (unabhängig vom verwendeten Einheitensystem) vorgabemäßig auf Tsf = 0° gesetzt, und die in den Konstitutivbeziehungen verwendete Temperaturänderung [σ = C(ε - αΔT)] wird einfach als ΔT = T - Tsf = T berechnet. Hier sollten mehrere Punkte hervorgehoben werden. Erstens: Die spannungsfreie Temperatur Tsf ist vorgabemäßig 0°, auch wenn die Verbundmaterialdatendatei (mdata-Datei) ausdrücklich eine spannungsfreie Temperatur ungleich null definiert. Zweitens: Unabhängig vom verwendeten Einheitensystem im Finite-Element-Modell wird die in den Konstitutivbeziehungen verwendete Temperaturänderung ΔT vollständig durch die aktuelle Temperatur T definiert. Drittens: Bei Verbundmaterialien, die bei mehreren Temperaturen charakterisiert werden, wird die aktuelle Temperatur T verwendet, um die unterschiedlichen Materialeigenschaften zu interpolieren, die zu den Konstitutivbeziehungen beitragen. Daher ist es empfehlenswert, eine Charakterisierung mit einer einzigen Temperatur (also eine mdata-Datei mit einer einzigen Temperatur) für das besagte Verbundmaterial zu verwenden. Als Zusammenfassung lässt sich sagen, dass die aktuelle Temperatur T die Konstitutivbeziehungen auf zweierlei Weisen beeinflusst, wenn Sie das Schlüsselwort *CURE STRESS nicht in die HIN-Datei eintragen: 1) Die in den Konstitutivbeziehungen verwendete Temperaturänderung wird einfach zu ΔT =T, und 2) T wird zum Interpolieren der temperaturabhängigen Materialeigenschaften verwendet, die zu den Konstitutivbeziehungen beitragen.
Es sollte betont werden, dass die Vorgabetemperatur in Abaqus/Standard 0° beträgt. Diese Vorgabetemperatur ist vollständig kompatibel zur vorgabemäßigen spannungsfreien Temperatur von 0°, die angenommen wird, wenn die siebte Benutzermaterialkonstante mit 0 angegeben wird. In diesem Fall kann das Modell weiterhin Temperaturänderungen unterliegen, indem eine andere Temperatur als 0° angegeben wird. Diese thermischen Spannungen entstehen erst im Verlauf der Analyse und sind zu Beginn der Analyse noch nicht vorhanden.
Eine umfassende theoretische Erläuterung der thermischen Restspannungen finden Sie im Theoriehandbuch. Eine Vorführung dieser Funktion finden Sie unter Beispielproblem 3.