Helius PFA 与线性弹性 Abaqus 失效准则的比较

比较线性弹性分析失效萌生的预测。

在 Abaqus Standard 中，提供了五个失效准则用于线性弹性分析：四个基于应力的准则和一个基于应变的准则。这些线性弹性失效准则的实际实用程序较为有限，因为它们仅预测局部失效的出现，而不预测局部失效的影响。换言之，当其中一个 Abaqus 失效准则预测失效出现时，没有随之而来的刚度缩减。因此，载荷重分配和渐进式失效的过程不会表现出来。相反，Helius PFA 不仅可以预测局部失效，还可以预测局部刚度缩减。进一步对比之下，Abaqus 线性弹性破坏准则利用应力或应变的均质复合材料状态来预测均质复合材料的失效，而 Helius PFA 利用成分平均应力分别预测每个成分材料的失效。

在此示例问题中，在出现全局失效前可将复合材料圆锥假定为呈线性弹性。从这个角度而言，Helius PFA 预测的失效萌生可与 Abaqus 失效准则预测的失效萌生进行比较。通常，Abaqus 提供的失效准则适用于正交各向异性材料，但就该示例问题而言，横向各向同性材料模型可用于 Abaqus 失效准则和 Helius PFA。Abaqus 线性弹性失效准则的缺点之一是，它们完全基于平面应力的假设条件。因此，它们只能在平面应力二维连续元素或壳单元中使用。当 Helius PFA 在其适用的失效准则中使用应力的常规三维状态时，将对连续壳单元 (SC8R) 进行比较，以适应 Abaqus 线性弹性失效准则的限制。

对于复合层，层失效将视为第一层失效。为方便起见，仅 Abaqus 最大应力和 Tsai-Wu 失效准则（基于应力的失效标准）与 Helius PFA MCT 失效准则进行比较。有关最大应力和 Tsai-Wu 失效准则建立的详细信息，请参见《Abaqus 分析用户手册》第 18.2.3 部分。

模型

EP1_SC8R.inp

• 失效准则：MCT
• 单元类型：SC8R
• 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_stressBasedFailure.inp

• 失效准则：
  • 最大应力和
  • Tsai-Wu
• 单元类型：SC8R
• 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

结果

下表显示了使用三种不同的失效准则预测出现每个失效事件类型时的载荷级别。后面的图显示了 0° 下的载荷应用点的载荷垂直位移曲线。

注： 最大应力和 Tsai-Wu 失效准则仅提供有关均质复合材料失效萌生的信息，因此这些准则预测基体和纤维失效出现在相同的载荷级别 (43-45%)。MCT 准则预测基体成分失效出现在 42% 载荷作用下，并预测纤维成分失效出现在 62% 载荷作用下。

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
3. 无法确定全局失效；有关详细信息，请参见相关文字
4. 复合层失效

下图显示了 0° 下的载荷应用点的载荷-位移曲线。到达全局失效前 (72%)，两种方法均可产生类似的整体结构刚度预测。使用 Abaqus 中提供的线性弹性材料失效准则时，不考虑材料刚度降级。因此，失效分析只能继续前进到预测会出现局部失效的点处。由于 Helius PFA 能够对出现失效（基体失效或纤维失效）的积分点处的刚度进行降级，因此它具有以下独特的功能：能够准确捕获从局部失效萌生到最终全局失效这一进展过程。需要注意的一个重要概念是，复合结构将保留其大部分结构刚度，这远远超过了局部失效萌生。使用第一层失效预测失效的设计通常极为保守，无法识别复合结构的完整能力。借助它，您可以使用 Helius PFA 准确描述结构失效后行为，其中有些内容通过 Abaqus 失效准则是无法获取的。