Helius PFA 複合材料の定義

3 つのキーワードステートメントを使用して、ユーザ定義の複合材料を定義します。

Helius PFA ユーザ定義材料をまとめて定義する 3 つのキーワードステートメントは、*MATERIAL、*DEPVAR、*USER MATERIAL (および Abaqus/Explicit 解析では *DENSITY)です。Helius PFA ユーザ定義の複合材料を完全に指定する ANSYS 入力ファイルからの次の行を検討してください。

*MATERIAL, name=IM7_8552
*DEPVAR
7
*USER MATERIAL, constants=16
1,1,1,0,0,0,0,0
0,0,0,0.1,0.01,0,0,0
*DENSITY
1500.0

*MATERIAL キーワードは、材料定義の開始を示し、オプション 'name=IM7_8552' は複合材料の名前を指定するために使用されます。名前 'IM7_8552' は、Helius PFA 複合材料データベースで見つかる名前、および入力ファイルのセクション定義で指定された名前と完全に一致する必要があります。

*DEPVAR キーワードは、有限要素モデルの各積分点で追跡する必要のある、解に依存する MCT 状態変数の数を指定するために使用されます。解に依存する MCT 状態変数の数は、*DEPVAR ステートメントに続く最初のデータ行で指定されます。この例では、7 つの解に依存する MCT 状態変数があります。*DEPVAR ステートメントで要求する MCT 状態変数の数の許容値は、エネルギーベースの劣化が要求されない場合は最小 7 セットで、エネルギーベースの劣化が要求される場合(一方向複合材料のみ)は 11 です。または、一方向複合材料では 35 のフルセット、織物複合材料では 91 のフルセットです。Abaqus/Explicit 解析では、直前の文にリストされる値に単純に 6 を足します(「複合材料の MCT 状態変数出力を要求」セクションのフローチャートを参照してください)。構成の平均応力およびひずみに後処理でアクセスを希望しない限り、一方向複合材料および織物複合材料両方に対して、7 つの MCT 状態変数の最小セットを *DEPVAR ステートメントで要求することを強くお勧めします。一方向複合材料および織物複合材料に使用可能なさまざまな MCT 状態変数の詳細な説明については、「付録 C」を参照してください。

*USER MATERIAL キーワードは、ユーザ定義材料タイプを示します。オプション 'constants=16' は、材料に合計 16 個のユーザ材料定数が指定されていることを示します。材料に使用するマルチスケールの構成関係の正確なフォームを決定するために、ユーザ材料定数は Helius PFA のユーザ材料サブルーチンによってまとめて使用されます。

*DENSITY キーワードは材料の密度を定義し、Abaqus/Explicit 解析のみで必要です。このキーワードの使用は、標準の Abaqus 材料の定義と同じです。

どの Helius PFA 材料でも、ユーザ材料定数の数は、3～18 の範囲内である必要があります。最初の 3 つのユーザ材料定数は、Helius PFA のすべての材料で必要です。ユーザ材料定数 17 と 18 は、Abaqus/Explicit のみで使用されます。「付録 A」には、各ユーザ材料定数の詳細な説明があり、各定数の許容値の範囲、各材料を表すために使用するマルチスケール構成関係に各定数が与える影響などを参照できます。Helius PFA を使用した解析でよく定義される各ユーザ材料定数のリストと簡単な説明を次に示します。

単位系: この 1 番目のユーザ材料定数は、構成関係と応力の計算に使用するべき単位系を指定します。上記の例では、1 番目のユーザ材料定数の値は 1 で、Helius PFA では構成関係と応力を既定の単位系(N/m/K)で計算する必要があることを示しています。この他にカスタム(ユーザ定義)の単位系に加えて、3 つの単位系があり(2 -> N/mm/K、3 -> lb/in/R、4 -> lb/ft/R)、1 番目のユーザ材料定数に特定の値を指定して要求することができます。カスタム単位系の定義の詳細については、「HIN ファイル」セクションを参照してください。
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。この 2 番目のユーザ材料定数は、使用する主要材料座標系の特定の方向を指定します。
- 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。この既定の主要材料座標系の方向は、2 番目のユーザ材料定数値を 1 に設定することで選択されます。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代替方向は、2 番目のユーザ材料定数値を 2 に設定することで選択されます。一般に、2 番目のユーザ材料定数の数値は、繊維方向と一致している特定の主要材料軸を示します。
- 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。この既定の主要材料座標系の方向は、2 番目のユーザ材料定数値を 1 に設定することで選択されます。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代替方向は、2 番目のユーザ材料定数値を 2 に設定することで選択されます。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、2 番目のユーザ材料定数値を 3 に設定することで選択されます。一般に、2 番目のユーザ材料定数の数値は、充填けん引方向と一致している特定の主要材料軸を示します。
進行性破損解析: この 3 番目のユーザ材料定数は、製品の進行性破損解析機能をアクティブまたは非アクティブにします。進行性破損機能をアクティブにして、破損が選択した破損基準で予測された場合、Helius PFA では選択した損傷の進展方法に基づいて、要素の剛性が劣化されます。この機能を非アクティブにした場合は、解析全体を通じて要素の剛性は一定のままになります。通常、これは線形解析と呼ばれます。
- 一方向ミクロ構造: 1 の値で進行性破損解析機能がアクティブになり、0 (ゼロ)の値で進行性破損解析機能が非アクティブになります。
- 織物ミクロ構造: 0 (ゼロ)の値で進行性破損機能が非アクティブになります。1 の値で進行性破損機能がアクティブになり、破損した材料特性を計算するために、材料データファイルからの母材と繊維の劣化レベルが使用されます。2 の値で進行性破損機能がアクティブになり、破損した材料特性を計算するために、12 番目と 14 番目のユーザ材料定数で指定された母材と繊維の劣化レベルが使用されます。平織物に対して 2 の値を選択すると、織物材料ごとに前処理時間が約 45～60 秒長くかかります。朱子織物では、これにより材料ごとに 30 ～ 60 分までかかる可能性があります。値が 1 の場合は、破損した材料特性は既に材料ファイルに格納されているため、前処理の実行時間は長くなりません。
破損前非線形性(Abaqus/Standard で MCT 破損基準を使用した複合材料のみのオプション): この 4 番目のユーザ材料定数は、製品の破損前非線形性機能をアクティブまたは非アクティブにします。1 の値で破損前非線形性機能がアクティブになり、既定値の 0 (ゼロ)では破損前非線形性機能が非アクティブになります。破損前非線形性機能をアクティブにした場合、Helius PFA では、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/ひずみ応答を明示的に考慮します。破損前非線形性機能は、母材構成材料の縦方向せん断剛性で一連の個別の低減を引き起こし、複合材料の非線形縦方向のせん断応答が実験測定データとよく一致するようになります。破損前非線形性機能は、複合材料の縦方向せん断弾性率にのみ影響を与えます(つまり対、および対 )。他の 4 つの複合材料の応力とひずみ成分の応答は、この機能によって影響は受けないことに留意してください。また、破損前非線形性機能によって、複合材料破損時のせん断応力レベルは変更されませんが、破損前の複合材料の縦方向せん断変形が全体的に増加する結果となります。
損傷の進展方法: この 5 番目のユーザ材料定数では、瞬間的またはエネルギーベースの損傷の進展方法を選択できます。0 (ゼロ)の値で瞬間的な劣化がアクティブになり、2 の値でエネルギーベースの劣化がアクティブになります。
- 瞬間的な劣化: 瞬間的な劣化機能をアクティブにした場合、Helius PFA では複合材料係数の剛性が瞬間的に最小値まで低減されます。破損した構成の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)。
- エネルギーベースの劣化(一方向材料のみ): エネルギーベースの劣化機能をアクティブにした場合、Helius PFA では、破損イベント検出後に複合材料係数の剛性が段階的かつ線形的に最小値まで低減されると同時に、12 番目および 13 番目のユーザ材料定数で指定されたエネルギーを維持します。3D 要素でエネルギーベースの劣化を使用する場合、11 番目のユーザ材料定数は、3D 要素の平均の厚さを表します。破損基準が始動された後は、複合材料のひずみ状態が破損開始時のレベルを超えて増加し続けるため、一連の個別の剛性低減を適用して、複合材料の剛性が段階的に低減されます。影響を受ける特定の剛性は、開始した構成破損に応じて異なります。この機能は、MCT 破損基準と一方向材料とのみ互換性があります。
静水圧による強化(Abaqus/Standard のみで MCT 破損基準を使用した一方向複合材料のオプション): この 6 番目のユーザ材料定数は、製品の静水圧による強化機能をアクティブまたは非アクティブにします。1 の値で静水圧による強化機能がアクティブになり、既定値の 0 (ゼロ)では静水圧による強化機能が非アクティブになります。静水圧による強化機能をアクティブにした場合、Helius PFA では、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明示的に考慮します。母材構成の静水圧縮応力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。
温度: この 7 番目のユーザ材料定数は、解析で使用する材料データファイル(mdata ファイル)の環境に対応する温度値を指定するために使用されます。たとえば、mdata ファイルに 600、650、700 R という特性の環境がある場合、7 番目の定数値は 650 となり、650 R に格納されている特性が解析に使用されます。温度値を含水率フラグ(ユーザ材料定数 16)と一緒に使用して、解析に使用する環境を完全に指定します。mdata ファイルに 1 組の特性が含まれている場合、7 番目のユーザ材料定数を空白にしておくことができます。

7 番目のユーザ材料定数値を -1.0 に設定すると、温度依存機能がアクティブになります。温度依存をアクティブにした場合、材料ファイルに保存している最低/最高温度点の境界内にある任意の温度に対して、複合材料と構成の特性を線形補間します。保存している最低温度データムより低い温度は、Helius PFA では最低温度データムで保存されている材料特性を使用します(保存している温度データ点の境界を超えて特性を外挿することはありません)。保存されている最高温度データムより高い温度も同様に処理されます。Helius PFA の温度依存材料特性の使用の詳細については、「理論マニュアル」を参照してください。
破損基準フラグ: この 8 番目の材料定数は、複合材料の破損開始の評価に使用する基準を指定します。一方向複合材料に有効な値は次のとおりです。

-1. ユーザ

0. MCT

1. 最大応力

2. 最大ひずみ

3. Tsai-Hill

4. Tsai-Wu

5. Christensen

6. Hashin

7. Puck

8. LaRC02

平織物複合材料の基準フラグに使用できる値は次のとおりです。

-1. ユーザ

0. MCT

1. 最大応力

2. 最大ひずみ
補助基準パラメータ 1: このユーザ材料定数 9 は、一部の補助破損基準パラメータを指定するために使用します。Tsai-Wu を選択した場合、この定数はクロス積項、f* を表します。Hashin を選択した場合、この定数は縦方向せん断応力の繊維破損基準、α への寄与を表します。
補助基準パラメータ 2: このユーザ材料定数 10 は、一部の補助破損基準パラメータを指定するために使用します。Tsai-Wu を選択した場合、この定数は破損時のオプションの等二軸応力(σ₁₁ と σ₂₂ の組み合わせ)を表します。この値が不明の場合は、ゼロのままにしておくことができます。
平均要素厚さ/劣化時間: これはユーザ材料定数 11 です。エネルギーベースの劣化を使用した解析では、この値は、材料に関連付けられている 3D (ソリッド)要素の平均要素厚さを表します。平均要素厚さをソリッド要素で使用して、単層平面にある要素の領域を表す代表的な要素の長さを計算します。2D 要素(シェル要素および平面応力要素)ではこの値は無視されるため、1.0 として入力する必要があります。

注: 平均要素厚さは、エネルギーベースの劣化を使用した解析でのみ使用できます。エネルギーベースの劣化を使用しない解析では、この値は無視されます。

注: 平均要素厚さは、一方向複合材料でのみ使用できます。この 11 番目のユーザ材料定数は、織物複合材料では無視されます。

瞬間的な劣化を使用する Abaqus/Explicit 解析で、ユーザ材料定数 11 は材料剛性が劣化する期間を指定します。材料の状態が変化すると、指定された期間内に剛性は新しい剛性状態に段階的に移行します。この方法は、真に瞬間的な剛性の大きな変化(時間 = 0)によって生成される負の動的効果を緩和するのに役立ちます。
母材破損後剛性/母材劣化エネルギー: エネルギーベースの劣化を使用しない解析では、この 12 番目のユーザ材料定数は、母材の構成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。既定では母材破損後剛性値は 0.1 に設定されています。

エネルギーベースの劣化を使用した解析の場合、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。

注: 織物複合材料で母材破損後剛性が指定されている場合、3 番目のユーザ材料定数(進行性破損解析)の値を 2 に設定する必要があります。3 番目の定数値を 1 に設定した場合、12 番目のユーザ定数は無視されます。
繊維破損後剛性: 瞬間的な劣化を使用した解析では、この 13 番目のユーザ材料定数は、繊維の構成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。繊維破損後剛性の既定値は、自動的に 1E-06 に設定されます。

注: 織物複合材料で繊維破損後剛性が指定されている場合、3 番目のユーザ材料定数(進行性破損解析)の値を 2 に設定する必要があります。3 番目の定数値を 1 に設定した場合、13 番目のユーザ定数は無視されます。
繊維劣化エネルギー: エネルギーベースの劣化を使用した解析では、この 14 番目のユーザ材料定数は、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。
ユーザ材料定数 15: 15 番目の定数は未使用です。
含水率: この 16 番目のユーザ材料定数は、解析で使用する材料データファイル(mdata ファイル)の環境に対応する含水率フラグを指定するために使用されます。この定数の値は、[環境]には 0 (ゼロ)、[乾性]条件には 1、[湿潤]条件には 2 を設定する必要があります。たとえば、mdata ファイルに[環境]、[乾性]、[湿潤]という特性の環境があり、16 番目の定数値を 1 に設定した場合、[乾性]含水率特性が解析に使用されます。含水率フラグを温度値(ユーザ材料定数 7)と一緒に使用して、解析に使用する環境を完全に指定します。mdata ファイルに 1 組の特性が含まれている場合、16 番目のユーザ材料定数を空白にしておくことができます。
母材ひずみ速度強化パラメータ: ユーザ材料定数 17 は Abaqus/Explicit 解析のみで使用され、大きなひずみ速度により発生する母材内の強化量を指定します。各構成の破損インデックス、β は次の方程式を使用してスケールされます。

上記の方程式において、ζ_β はユーザ材料定数 17 で定義される β 構成のひずみ速度強化パラメータです。既定値は 0.01 です。
繊維ひずみ速度強化パラメータ: ユーザ材料定数 18 は Abaqus/Explicit 解析のみで使用され、大きなひずみ速度により発生する繊維内の強化量を指定します。各構成の破損インデックス、β は次の方程式を使用してスケールされます。

上記の方程式において、ζ_β はユーザ材料定数 18 で定義される β 構成のひずみ速度強化パラメータです。既定値は 0.0 です。