厚度方向的网格密度对渐进式失效响应的影响

使用四个有限元模型预测复合材料结构的渐进式失效响应。

模型只是在夹层面板厚度方向分布的单元数量（即，材料、单元类型、平面内网格密度）上有所不同，而每个模型中的边界条件完全相同。下面列出了四个不同级别的厚度方向的网格密度。每个模型（共四个）都使用 C3D8R 单元。

• 原始模型：1 个单元用于捕获型芯，而且每个面层上都有 1 个单元，用于捕获整个铺层（厚度方向的 3 个单元）。
• ^第一次修改：增加型芯网格密度以允许 4 个单元捕获型芯配置文件（厚度方向的 6 个单元）。
• ^第二次修改：增加面层密度以允许 2 个单元捕获每个面层的铺层（厚度方向的 8 个单元）。
• ^第三次修改：增加面层密度以允许 4 个单元捕获每个面层的铺层（厚度方向的 12 个单元）。

理想情况下，非常精细的厚度方向网格可用于提供整个模型中最准确的载荷分布和变形，但运行时成本经常会限制网格密度。

模型

EP1_1elemFace_1elemCore.inp

• 单元类型：C3D8R
• 厚度方向上的网格密度：
  • 复合覆面板：1 个单元
  • 泡沫型芯：1 个单元

EP1_1elemFace_4elemCore.inp

• 单元类型：C3D8R
• 厚度方向上的网格密度：
  • 复合覆面板：1 个单元
  • 泡沫型芯：4 个单元

EP1_2elemFace_4elemCore.inp

• 单元类型：C3D8R
• 厚度方向上的网格密度：
  • 合成面层：2 个单元
  • 泡沫型芯：4 个单元

EP1_4elemFace_4elemCore.inp

• 单元类型：C3D8R
• 厚度方向上的网格密度：
  • 合成面层：4 个单元
  • 泡沫型芯：4 个单元

结果

下表显示了四个模型预测每个类型的失效事件的载荷级别。下图显示了合成结构的总体垂直载荷位移曲线。

注：

1. 载荷百分比范围为 0% 到 100%
2. 全局失效被定义为之前显示的 0° 应用程序点载荷压头的载荷垂直位移曲线中出现了较大的不连续性。

比较网格密度结果后，我们可以得出以下观察结果：

1. 随着厚度方向网格密度的增加，局部基体和纤维失效的萌生预计会发生在载荷级别较高之时。

   随着我们渐进式增加层压板厚度方向的单元数量，模型的横向剪切刚度下降的速度比模型的平面内刚度要快。因此，随着厚度方向网格密度的增加，模型可能会以平面内变形为代价，增加横向剪切变形。这一趋势的最终结果是，最高平面内应力的幅值通常随着厚度方向网格密度的增加而下降，所以局部失效预测会出现在载荷级别较高时。

2. 全局失效仅略受网格密度影响。

   尽管增加厚度方向网格密度会导致基体和纤维的局部失效萌生延迟，预测的全局结构性失效载荷不会受到厚度方向网格密度的太大影响。此观察表明，从局部失效萌生升级到全局结构性失效的速度要快于厚度方向网格密度增加的速度。对于密度更大的网格，有理由相信局部失效会更快速地发展为全局失效。密度更大的网格会因为用于失效标准评估的高斯积分点数的增加而产生更精确的结构失效路径。更精确的失效路径促使失效发展速度更快，从而使局部失效快速地发展为全局失效。