Helius PFA と Abaqus の進行性損傷モデルとの比較

Helius PFA で使用される進行性破損モデルと Abaqus で使用される進行性損傷モデルの比較を表示します。

複合材料に対して、Abaqus では、4 つの異なる構成破損モードの開始を予測するために Hashin 基準を使用する進行性損傷モデルを提供し、4 つの各構成損傷モードの進展の結果として発生する開始後の剛性劣化を予測するために損傷の進展方程式を使用します。このセクションでは、Helius PFA で使用される瞬間的な進行性破損モデルと Abaqus で提供される進行性損傷モデルを比較しています。

Helius PFA で使用される瞬間的な進行性破損モデルと Abaqus で提供される進行性損傷モデルには、いくつかの根本的な違いがあります。これらの違いを次に説明します。

1. Abaqus の進行性損傷モデルでは、開始基準を満たした後、変形が継続して蓄積されるのにつれ、材料の剛性は段階的に低減していきます。対照的に、Helius PFA では、特定の破損した構成により、瞬間的な剛性低減が発生します。通常、このタイプの瞬間的な個別の剛性低減により、有限要素コードの収束が非常に困難になります。ただし、Helius PFA は特にこのタイプの挙動を効率的に処理するように開発されており、非常に強力な収束挙動を示します。
2. Abaqus の進行性損傷モデルでは、材料構成(繊維および母材)の損傷の開始および損傷の進展は、複合材料の平均応力状態とひずみ状態に基づいて予測されます。対照的に、Helius PFA の MCT 基準は個別の材料構成の破損を予測するために、構成の平均応力状態を使用します。
3. Abaqus の進行性損傷モデルでは、損傷の開始と損傷の進展を面内応力とひずみ成分のみに基づいて予測し、横方向の応力とひずみ成分の影響を無視しています。対照的に、MCT では構成破損を、完全 3D 構成の平均応力状態を使用して予測します。
4. 損傷の進行につれて、Abaqus の進行性損傷モデルは面内剛性(E₁₁、E₂₂、G₁₂)の剛性低減のみを考慮し、横方向剛性(E₃₃、G₁₃、G₂₃)は変化なしのままとします。対照的に、Helius PFA では材料の構成破損が発生すると、面内剛性と横方向剛性どちらの剛性低減も明示的に考慮されます。
5. Abaqus の進行性損傷モデルは、2D 連続体要素およびシェル要素のみと一緒に使用できます。Helius PFA は、2D 連続体要素、シェル要素、および 3D 連続体要素と一緒に使用できます。

このセクションでは、Abaqus の進行性損傷モデルと Helius PFA をそれぞれ用いて、複合材料の円錐構造における破損応答をシミュレーションします。上記の項目 4 と 5 で示した違いのため、両方のモデルで連続体シェル要素(SC8R)を使用します。この選択により、項目 4 と 5 の違いは除外されます。したがって、構造の予測される破損応答の違いは、完全に上記の項目 1～3 に示す違いによって発生します。

上記にリストした根本的な数学的な違いに加え、Abaqus の進行性損傷モデルでは、定義することが困難で分かりにくい問題が追加されます。Abaqus 損傷の開始(Hashin)基準の定義プロセスは簡単で、次の業界標準の強度測定のみを必要とします。

1. 縦方向引張および圧縮単層強度(+S₁₁ および -S₁₁)
2. 横方向引張および圧縮単層強度(+S₂₂ および -S₂₂)
3. 単層の縦方向および横方向せん断強度(S₁₂ および S₂₃)

しかし、Abaqus の損傷の進展関係を定義するプロセスは困難で分かりにくいものです。損傷の進展関係に必要な 4 つのパラメータは、4 つの構成破損モードそれぞれで散逸されるエネルギー量を表します。

1. 繊維の引張(G^c_ft)に対する損傷時のエネルギー散逸
2. 繊維の圧縮(G^c_fc)に対する損傷時のエネルギー散逸
3. 母材の引張(G^c_mt)に対する損傷時のエネルギー散逸
4. 母材の圧縮(G^c_mc)に対する損傷時のエネルギー散逸

これらのエネルギー散逸定数は、ほとんどの一方向複合材料(AS4-3501-6 など)では容易に使用できるものではありません。さらに、Abaqus の有限要素コードの収束パフォーマンスは、これらのエネルギー散逸定数に選択した数値に非常に敏感です。このため、実験測定されたエネルギー散逸値が利用できる場合も、有限要素解析の収束挙動の向上を図るために、これらの値の調整が必要となる可能性が高くなります。対照的に、Helius PFA ではこれらのエネルギー散逸値は不要です。実際には、このことで有限要素解析の収束挙動が悪化することはなく、むしろ収束挙動は改善されます。

複合材料の円錐構造における進行性破損応答は、異なるモデル(次にリスト)を使用してシミュレーションされました。どちらのモデルも採用した破損基準を除いては同一でした。EP1_SC8R.inp モデルでは、構成材料破損および剛性低減を予測するために MCT を使用し、EP1_Hashin.inp モデルでは、構成材料破損および剛性低減を予測するために Abaqus の進行性損傷モデルを使用しました。

モデル

EP1_SC8R.inp

• 破損基準: MCT
• 要素タイプ: SC8R
• 厚さ方向のメッシュ密度:
  • 複合材料の表面板: 2 要素
  • フォームのコア: 4 要素

EP1_Hashin.inp

• 破損基準: Hashin
• 要素タイプ: SC8R
• 厚さ方向のメッシュ密度:
  • 複合材料の表面板: 2 要素
  • フォームのコア: 4 要素

結果

この特定の例の問題では、最初のローカルの母材破損の発生後、Abaqus の進行性損傷モデルを使用して収束解は取得できませんでした。したがって、ここで報告された結果には、Abaqus の進行性損傷モデルで予測されたグローバルな構造破損荷重は含まれていません。次の表は、2 つの異なる進行性破損モデルを使用して各タイプの破損イベントが予測される荷重レベルを示します。ローカルの母材破損後、進行性損傷モデルを使用して収束解に至らなかったことに留意してください。Abaqus の進行性損傷モデルの*損傷の進展機能をオフにし、Hashin 基準を使用してローカルの破損後に材料剛性を低減せずに母材と繊維の破損をフラグすると、繊維破損の発生時をおおよそ特定できます。この値は、ローカルの母材破損による材料の剛性低減が、繊維の破損をもっと早く開始させる可能性があるため近似値です。

注:

1. 荷重パーセンテージは 0～100% の尺度
2. グローバルな破損は、前に表示された荷重先頭の 0° 適用点の荷重垂直方向変位曲線の大きな不連続性として定義される
3. グローバルな破損を決定できません。詳細についてはテキストを参照してください

上記に示すように、Hashin 基準ではローカルの母材破損が MCT (42%)で予測されるよりも高い荷重レベル(50%)で発生すると予測しています。この違いは、完全に MCT と Hashin モデルで使用される母材構成破損基準の違いによるものです。たとえば、構成の平均応力に対して複合材料の平均応力、各モデルで使用される応力に基づく破損基準の特定の関数形式などによる違いです。

MCT は最初のローカルの繊維構成破損が 62% の荷重レベルで発生すると予測しています。しかし、Hashin 基準では最初のローカルの繊維構成破損は、荷重レベルが 75% に達するまで発生しないと予測しています。繊維破損開始時の荷重の大きな違いは、主に次の 2 つの問題が原因となっています。1 つ目は、MCT が繊維の平均応力状態を使用するのに対して、Hashin 基準は均質な複合材料の平均応力状態を使用することです。2 つ目は、MCT がローカルの母材破損と同時に瞬間的な剛性低減が発生すると予測することです。したがって、段階的な剛性低減を使用する Abaqus の損傷の進展モデルでの予測よりも、荷重が大幅に速く繊維に再分配されます。

MCT は、グローバルな構造破損は 72% の荷重レベルで発生すると予測しています。興味深いことに、Abaqus の損傷の進展モデルでは、75% の荷重レベルまでローカルの繊維破損の開始を予測しませんでした。ローカルの母材破損の開始後に、Abaqus の損傷の進展モデルでは収束解を取得できなかったため、グローバルな構造破損の荷重を決定できなかったことに留意してください。