複合材料を作成

複合材料を作成するには、[複合材料を作成] GUI を使用します。

Helius PFA によって処理される各複合材料は、Abaqus ではユーザ定義材料とみなされます。[複合材料を作成] GUI を使用して、Abaqus 入力ファイルでこれらの複合材料の定義を簡単に作成できます。複合材料データベースから材料を選択して、複合材料の熱機械的応答を定義するために使用するマルチスケール構成関係の多様なオプションを選択できます。

Abaqus/CAE 内から[複合材料を作成] GUI を開くには、メイン ツールバーに移動し、[プラグイン] > [Autodesk] > [複合材料を作成]を選択します。GUI は次のように表示されます。

上記のとおり、[複合材料を作成] GUI を使用して Helius PFA の複合材料タイプを定義するには、いくつかのオプションがあります。各オプションについて次に説明します。

  1. 複合材料の選択: Helius PFA マテリアル ライブラリから複合材料を選択します。マテリアル ライブラリに、解析で使用する複合材料が含まれていない場合は、まず材料データ ファイルを作成してマテリアル ライブラリに追加する必要があります(「Material Manager ユーザ ガイド」を参照してください)。複合材料を選択すると、材料の均質化された(または複合材料の平均)工学定数が、GUI に表示されます。
  2. 環境の選択: 選択した材料に複数の環境(温度と含水率の組み合わせ)に対する材料特性が含まれている場合、解析で使用する環境を選択する必要があります。環境を選択すると、その環境の材料特性が GUI に表示されます。
  3. 単位系: 構成関係と応力の計算に使用するべき単位系を選択します。Helius PFA は、既定で(N/m/K)単位系で構成関係を示し、応力を計算します。有限要素モデルが異なる単位系を使用して作成されている場合、Helius PFA では構成計算をモデルに必要な単位系に変換する必要があります。その目的で、Helius PFA には一般的に使用される 4 つの単位系(N/m/K、N/mm/K、lb/in/R、lb/ft/R)用の変換係数が含まれています。有限要素モデルがこれらの 4 つの単位系のいずれかを使用している場合、ドロップダウン リストから適切な単位系を選択する必要があります。モデルの単位系がドロップダウン リストに表示されない場合は、既定の単位系 N/m/K を選択した上で、HIN ファイルを使用したカスタム単位系の定義方法の詳細について、「HIN ファイル」セクションを参照してください。
  4. 主要材料座標系: Helius PFA では、複合材料の主要材料座標系で構成関係を示し、応力を計算します。ここでは、複合材料の主要材料座標系で使用可能な 2 つまたは 3 つの方向のうち、1 つを選択します。

    一方向ミクロ構造: 既定の主要材料座標系は、繊維方向と一致する '1' 方向に設定され、'2'、'3' 方向は横等方性の材料平面内に配置されます。この主要材料座標系の既定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "1" の選択に対応します。しかし、モデル作成プロセスに利便性を加えてシンプルにする目的で、'2' 方向を繊維方向に一致させ、'1'、'3' 方向が横等方性の材料平面内に配置されるように、主要材料座標系の方向を変更することができます。この主要材料座標系の特定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "2" の選択に対応します。ドロップダウン メニューからの "2" の値を選択すると、変換された特性が GUI に表示されます。

    織物ミクロ構造: 既定の主要材料座標系は充填けん引方向と一致する '1' 方向に設定され、'2' 方向は反りけん引方向に対応し、'3' 方向は面外方向に対応しています。この主要材料座標系の既定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "1" の選択に対応します。しかし、モデル作成プロセスに利便性を加えてシンプルにする目的で、'2' 方向を充填けん引方向に一致させ、'1' 方向を反りけん引に対応するように、主要材料座標系の方向を変更することができます。この主要材料座標系の特定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "2" の選択に対応します。さらに、'3' 方向を充填けん引方向に一致させ、'2' 方向を反りけん引に対応するように、主要材料座標系の方向を変更することができます。この主要材料座標系の特定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "3" の選択に対応します。

  5. 損傷の開始基準の選択: 選択した材料に使用する破損基準を選択します。選択した基準は、破損の開始のみに適用され、損傷の進展には適用されません。一方向複合材料で使用可能なオプションは、次のとおりです。
    織物複合材料で使用可能なオプションは、次のとおりです。
    • ユーザ(「Helius PFA ユーザ サブルーチン」マニュアルを参照してください)
    • MCT (既定)
    • 最大応力
    • 最大ひずみ

    各基準に関する技術的な情報については、「理論マニュアル」を参照してください。

    [パラメータ]ボタンは、選択した基準に指定する必要がある追加のパラメータがある場合に使用可能になります。このボタンをクリックすると、新しいウィンドウが開き、選択した基準に必要なパラメータを定義できます。各基準に対して定義が必要なパラメータは、次のとおりです。
    • MCT
      • 圧力誘起強度強化(一方向複合材料のみ): 実験で観察される静水圧縮応力の存在による複合材料の強化を考慮するかどうかを選択します。このチェックボックスをオンにすると、Helius PFA では、母材構成の静水圧縮応力レベルを監視します。母材構成の静水圧縮応力レベルがしきい値を超えている場合は、母材構成と繊維構成両方の強度は、母材構成内の静水圧縮応力レベルに等しいレベルまで増加されます。複合材料の静水圧による強化の詳細については、「付録 A」および「理論マニュアル」を参照してください。この機能は、Abaqus/Explicit 解析の材料ではサポートされていません。

      • 破損前非線形性: 通常、繊維強化複合材料に発生する非線形縦方向のせん断応力/ひずみ応答を考慮するかどうかを選択します。このチェックボックスをオンにすると、Helius PFA では、縦方向のせん断応力/ひずみ応答を 4 つのセグメント(一方向)または 7 つのセグメント(織物)の区分線形表現(つまり 対 、および 対 )を使用する一方で、その他の 4 つの応力およびひずみ成分応答はこの機能の影響を受けません。複合材料の縦方向せん断弾性率の一連の個別の低減はすべて、区分線形の縦方向せん断応答が実験測定の縦方向せん断データと密接に一致するように実施されます。

        この機能は、MCT 材料特性指定プロセスで縦方向せん断応力/ひずみ曲線が指定されている複合材料のみで使用可能であることに留意してください。この機能が、縦方向せん断応力/ひずみ曲線が指定されていない一方向複合材料で要求された場合、Helius PFA ではランタイムでエラー メッセージが発行され、実行が停止されます。破損前非線形性機能の詳細については、このユーザ ガイドの「付録 A」、「理論マニュアル」、「問題例 2」を参照してください。破損前非線形性機能を備えた新しい複合材料の特性指定の詳細については、「Material Manager ユーザ ガイド」を参照してください。この機能は、Abaqus/Explicit 解析の材料ではサポートされていません。

    • Tsai Wu
      • f*: クロス積項。この値の範囲は 0.5 ≤ f* ≤ 0.0 である必要があり、σbiax がゼロの場合にのみ使用されます。
      • σbiax : 破損時の等二軸応力。不明な場合は、この値はゼロにしておくことができます。
    • Hashin
      • α: 縦方向せん断から繊維破損基準への寄与量を指定します。この値の範囲は 0.0 ≤ α = 1.0 である必要があります。
  6. 損傷の進展方法の選択: 損傷の進展の計算(剛性低減)に使用する方法 を選択します。次の 3 つのオプションを使用できます。
    • 瞬間的: この方法を選択した場合、Helius PFA では、繊維または母材(MCT に対して)、または層(残りの破損基準)が破損しているかを判断するために、選択した損傷開始基準の破損インデックスを定期的に評価します。破損が予測される場合には、破損した構成または複合材料の剛性は、瞬間的に適切に低減されます。瞬間的な剛性低減は、効果的に構成および複合材料の非連続的な区分線形応力/ひずみ応答という結果になることに留意してください。ただし、このタイプの個別の材料応答が、大規模な有限要素モデルの各積分点で個別に適用された場合、最終結果は複合材料構造全体の剛性の段階的な(または進行性)劣化となります(このため、進行性破壊解析と呼ばれます)。
    • エネルギー ベース(一方向複合材料と MCT 破損基準のみ): この方法を選択した場合、Helius PFA では、指定した総エネルギーを維持しながら、破損イベント後に複合材料の剛性の区分線形劣化を採用します。破損イベントのタイプ(つまり、繊維または母材破損)が、ひずみの増加につれて、どの複合材料の剛性を線形に低減するかを決定します。この場合、構成破損基準は、破損イベントの開始を単に特定するものと仮定されます。単層の変形が継続的に増加すると、最終的に複合材料の剛性が完全な構成破損を示す最小レベルに到達するまで、複合材料の剛性は一連の個別の低減を受けます。母材構成の破損後に、複合材料特性が母材とともに劣化できるように、微視的および巨視的なスケール間で一貫した材料特性セットが適用されることに注意することが重要です、たとえば、母材破損イベントは、複合材料の 、、、、 を線形劣化させると同時に、母材の 、、、、、 も劣化させる結果となります。ただし、繊維破損イベントは、複合材料の 、、 を線形劣化しますが、構成応力とひずみが無効になるため、構成はそれ以上劣化されません。エネルギー ベースの劣化とそれが解析に与える影響の詳細については、「付録 A」および「理論マニュアル」を参照してください。
    • なし: これを選択すると、あらゆる損傷の進展フォームが非アクティブになり、解析全体で線形弾性の構成関係が使用されます。つまり、損傷開始基準で破損が予測される場合でも、要素の剛性が低減されることはありません。
    7. [パラメータ]ボタンは、選択した方法に指定する必要がある追加のパラメータがある場合に使用可能になります。このボタンをクリックすると、新しいウィンドウが開き、選択した方法に必要なパラメータを定義できます。各方法に対して定義が必要なパラメータは、次のとおりです。
    • 瞬間的
      • 破損した織物複合材特性を計算する: このオプションを選択すると、Helius PFA では、GUI で指定された母材と繊維の劣化レベルを使用して、破損した織物複合材特性を計算します。このオプションを選択しない場合は、Composite Material Manager を使用して材料データ ファイルが作成されたときに計算された破損した材料特性が使用されます。たとえば、材料の作成時の(Composite Material Manager を使用)母材劣化値が 0.7 で、繊維劣化値が 0.015 のときにこのオプションを選択していない場合、0.7 の母材劣化値と 0.015 の繊維劣化値に対応する破損した材料特性が使用されます。逆に、このオプションを選択し、GUI で 0.8 の母材劣化値と 0.001 の繊維劣化値を指定すると、0.8 の母材劣化値と 0.001 の繊維劣化値に対応する破損した材料特性が使用されます。
      • 母材破損後剛性: この値は、母材構成の破損発生後の母材構成の損傷したヤング率の定義に使用される割合です。具体的には、この値は破損した母材構成係数と破損していない母材構成係数との比率です。0.1 の値は、積分点で母材破損が発生した後、6 つの母材構成係数(、、、、、)がすべて元の損傷していない母材構成係数の 10% にまで低減したことを意味します。母材破損後剛性値は 0 (ゼロ)より大きく、1 以下である必要があります。
      • 繊維破損後剛性: この値は、繊維構成の破損発生後の繊維構成の損傷したヤング率の定義に使用される割合です。具体的には、この値は破損した繊維構成係数と破損していない繊維構成係数との比率です。0.01 の値は、積分点で繊維破損が発生した後、6 つの繊維構成係数(、、、、、)がすべて元の損傷していない繊維構成係数の 1% にまで低減したことを意味します。繊維破損後剛性値は 0 (ゼロ)より大きく、1 以下である必要があります。
    • エネルギー ベース
      • 母材エネルギー: この値は、破損イベント後に複合材料剛性の線形劣化があると仮定して、母材破損前後のエネルギー散逸量の合計を示します。具体的には、複合材料の 、、、、 が母材破損イベント後に、このエネルギー、繊維破損時の複合材料の応力状態、および要素の体積に基づいて劣化します。エネルギー値計算の詳細については、「付録 A」および「理論マニュアル」を参照してください。
      • 繊維エネルギー: この値は、繊維破損イベント前後に複合材料剛性の線形劣化があると仮定して、繊維破損に対するエネルギー散逸量の合計を示します。具体的には、複合材料の 、、 が、このエネルギー、繊維破損時の複合材料の応力状態、および要素の体積に基づいて線形に劣化します。エネルギー値計算の詳細については、「付録 A」および「理論マニュアル」を参照してください。
      • 平均要素厚さ: この値は、材料に割り当てられている 3D 要素の平均の厚さを表し、厚さは積層の厚さ方向に測定されます。2D 要素(つまり、シェル要素、平面応力要素)では、この値は 1.0 に設定する必要があります
  7. 出力構成の平均応力/ひずみ状態: 繊維の平均応力とひずみフィールド、および母材の平均応力とひずみフィールドを出力データベース ファイル(.odb file)に出力するかどうかを選択します。一方向複合材料で、このチェックボックスをオンにすると、.odb ファイルに出力される MCT 状態変数の数が 7 から 35 に増加します(エネルギー ベースの劣化が要求された場合は 11 から 35 に増加)。織物複合材料で、このチェックボックスをオンにすると、.odb ファイルに出力される MCT 状態変数の数が 7 から 91 に増加します。これらの追加の状態変数の出力により、合計実行時間は若干増加し、.odb ファイルのサイズが大幅に大きくなります。したがって、このオプションは、構成の平均応力とひずみ状態が重要である場合にのみ選択されるべきです。
  8. Explicit 解析: この材料を Abaqus/Explicit 解析に使用するかどうかを選択します。このオプションを選択すると、*DEPVAR 定義に適切な番号を持つ材料を作成し、材料の密度が使用可能な場合は *DENSITY 定義も作成します(Composite Material Manager での材料作成時に指定しておく必要があります)。

上記の選択が完了したら、GUI 上で[OK]ボタンをクリックして、Helius PFA と互換性のあるユーザ定義の複合材料を作成します。[OK]ボタンをクリックすると、新しい材料が Abaqus/CAE に作成され、適切な Abaqus キーワード ステートメントがモデルに追加されます。

親トピック: Abaqus/CAE を使用して Helius PFA で使用する Abaqus 入力ファイルを作成する