進行性破損応答に対する厚さ方向のメッシュ密度の影響

4 つの有限要素モデルを使用して、複合材料構造の進行性破損応答を予測します。

モデルは、サンドイッチ パネルの厚さ方向の要素数のみが異なり、各モデルの材料、要素タイプ、面内のメッシュ密度、および境界条件はまったく同じです。4 つの異なるレベルの厚さ方向のメッシュ密度を次に一覧表示します。4 つの各モデルは C3D8R 要素を使用します。

• 元のモデル: コアを表す 1 要素、およびレイアップ全体(厚さ方向に 3 要素)を表す表面板ごとに 1 要素。
• 第 ¹ の変更: コアのプロファイル(厚さ方向に 6 要素)を表すために、コアのメッシュ密度を増加して 4 要素を使用可能にします。
• 第 ² の変更: 各表面板のレイアップ(厚さ方向に 8 要素)を表すために、表面板のメッシュ密度を増加して 2 要素を使用可能にします。
• 第 ³ の変更: 各表面板のレイアップ(厚さ方向に 12 要素)を表すために、表面板のメッシュ密度を増加して 4 要素を使用可能にします。

モデル全体の最も正確な荷重分布と変形を表すには、非常に細かい厚さ方向のメッシュを使用することが理想ですが、実行時間がかかるため、メッシュ密度を制限したほうがよい場合もあります。

モデル

EP1_1elemFace_1elemCore.inp

• 要素タイプ: C3D8R
• 厚さ方向のメッシュ密度:
  • 複合材料の表面板: 1 要素
  • フォームのコア: 1 要素

EP1_1elemFace_4elemCore.inp

• 要素タイプ: C3D8R
• 厚さ方向のメッシュ密度:
  • 複合材料の表面板: 1 要素
  • フォームのコア: 4 要素

EP1_2elemFace_4elemCore.inp

• 要素タイプ: C3D8R
• 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_4elemFace_4elemCore.inp

• 要素タイプ: C3D8R
• 厚さ方向のメッシュ密度:
  • 複合材料の表面板: 4 要素
  • フォームのコア: 4 要素

結果

次の表は、4 つのモデルが予測する、各タイプの破損イベント時の荷重レベルを示します。次のプロットは、複合材料構造の全体的な垂直荷重-変位曲線を示します。

注:

1. 荷重のパーセンテージは 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

メッシュ密度結果を比較することで、次の見識を得ることができます。

1. 厚さ方向のメッシュ密度が増加すると、ローカルの母材破損と繊維破損の開始は、より高い荷重レベルで発生することが予測されます。

   積層の厚み方向の要素数を徐々に増加すると、モデルの横方向せん断剛性は、モデルの面内剛性よりも速く低減します。結果的に、厚さ方向のメッシュ密度が増加すると、モデルは面内の変形を犠牲にして横方向せん断変形の増加を示す傾向があります。この傾向の最終的な結果として、厚さ方向のメッシュ密度が増加すると、面内のピーク応力の大きさが低減する傾向があるため、ローカルの破損はより高い荷重レベルで発生することが予測されます。

2. グローバルな破損は、メッシュ密度によってわずかに影響を受けます。

   厚さ方向のメッシュ密度が増加すると、母材破損と繊維破損両方の開始は遅延しますが、予測されるグローバルな構造破損は、厚さ方向のメッシュ密度によって大きな影響は受けません。この見識は、厚さ方向のメッシュ密度が増加すると、ローカルの破損開始からグローバルな構造破損への進展がより急速になることを示唆します。より高い密度のメッシュでは、ローカルの破損からグローバルな破損への進展がより急速になると予測するのは妥当です(上の表を参照)。高いメッシュ密度では、評価する破損基準のガウス積分点数が増加するため、結果的に構造の破損パスはより細かくなります。より細かい破損パスは、破損の進展を加速化するため、ローカルの破損からグローバルな破損により急速に進展します。