進行性破損応答の要素タイプの影響

3 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。

モデルは要素タイプのみが異なり、各モデルの材料、メッシュ密度、境界条件はまったく同じです。3 つの Abaqus 要素タイプ、C3D8R、C3D8、SC8R をテストします。3 つのモデルは同じ厚さ方向のメッシュ密度を使用します。フォーム コアに 4 つの要素を使用し、各複合材料表面板を 2 要素に分割するため、サンドイッチ積層の厚さ方向には合計 8 つの要素があります。

モデル

EP1_C3D8.inp

EP1_SC8R.inp

結果

次の表は、3 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。下図は、3 つのモデルが予測する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

低減積分連続体要素と完全に統合された連続体要素(C3D8R 対 C3D8)を比較すると、次の見解と説明が得られます。

  1. 完全に統合された要素タイプでは、より低い荷重レベルで発生するローカルの破損イベント(母材と繊維の破損)という結果が得られます。

    完全に統合された要素は、低減積分要素よりもガウス積分点を多く使用します。どちらの要素も同じ要素平均応力を予測しますが、完全に統合された要素は、低減積分要素よりも高いローカルのピーク応力を予測します。これは、完全に統合された要素にはより多くのガウス積分点があり、要素の境界(線形応力分布が最大の場所)により接近したガウス点が含まれるためです。したがって、完全に統合された要素は、低減積分要素より低い荷重レベルでのローカルの破損開始を予測します。

  2. 完全に統合された連続体要素では、グローバルな破損はより低い荷重レベルで発生します。

    2 つの要素で予測されるグローバルな破損荷重の違いは、主にローカルの破損開始荷重の違いによるものです。材料層ごとに 1 つのガウス点を持つ低減積分要素は、より離散した破損カスケードを示します。言い換えると、低減積分要素の材料層で破損が発生すると、層全体の剛性が低減し、比較的多くの荷重の再分布が発生します。逆に、完全に統合された要素の 1 つの材料層においてガウス点の 1 つに破損が発生すると、材料層の一部でのみ剛性が低減し、比較的少ない荷重の再分布が発生します。

    完全に統合された要素には、破損基準がテストされ剛性低減が強制される積分点が多数含まれているため、本質的により現実的な進行性破損応答を示すと考えてしまいがちです。ただし、完全に統合された要素の積分点は応力計算の精度が最も高い場所ではないため、これは真実ではありません。実際に、応力計算の精度が最も高い場所は、低減積分点[1]です。結果的に、低減積分要素はより少ない点で破損および剛性低減を評価しますが、低減積分点における応力状態の精度がより高いため、評価自体はより高い精度となります。したがって、要素ごとにより多くの積分点を使用することで、より高精度な解析結果が必ずしも得られるわけではありません。

低減積分連続体要素(C3D8R)と低減積分連続体シェル要素(SC8R)の破損応答を比較すると、次の見解と説明が得られます。

  1. 連続体シェル要素は、低減積分連続体要素(52%)よりも低い荷重レベル(42%)でのローカルの破損開始を予測します。

    どちらの要素もまったく同じガウス積分点セットを使用しているにもかかわらず、SC8R 要素は C3D8R 要素よりも高い面内応力成分を予測します。この違いは、2 つの要素の横方向せん断および横方向垂直剛性の違いによるものです。C3D8R 要素は、単に要素体積に個別の材料層の剛性を積分することで、その横方向剛性を取得します。一方、SC8R 要素は、ユーザの直接入力として横方向剛性を取得し、それは要素全体に適用されます。このシナリオにより、両方の要素が同一の横方向剛性を示す可能性は効果的に排除されます。要素の横方向剛性に何らかの変化が生じた場合、面内および面外成分に対する要素の総ひずみエネルギーの分割が必ず異なる結果になります。したがって、2 つの要素に異なる横方向剛性がある場合、これらの面内応力成分は異なっている可能性が高くなります。この特定の問題では、初期母材破損は主に面内せん断応力によって促進されます。この応力は、C3D8R 要素よりも SC8R 要素で高くなるため、SC8R 要素はより早いローカルの母材破損を予測します。

  2. 連続体シェル要素では、はるかに低い荷重レベルでローカルの破損が発生するにもかかわらず、グローバルな破損はより高い荷重レベルで発生します。

    SC8R 要素はローカルの構成破損開始を C3D8R 要素より低い荷重レベルで予測しているにもかかわらず、SC8R 要素はグローバルな構造破損は C3D8R 要素(60%)よりも高い荷重レベル(72%)で発生することを予測しています。SC8R がより段階的な破損カスケード プロセスを予測することは、主にローカルの材料破損が SC8R 要素内の横方向剛性(E33、G13、G23)に影響しないという事実によります(Abaqus では、これらの剛性は SC8R 要素内で一定である必要があります)。横方向剛性では劣化が発生しないため、追加のローカルの破損を発生させずに、SC8R 要素では荷重の再分布がより簡単にできます。要約すると、C3D8R 要素と SC8R 要素では非常に異なる破損カスケード動作を示します。

親トピック: モデルの比較