热残余应力

控制如何在分析中处理热残余应力。

在室温下,卸载的层压复合结构在合成层级别和成分材料级别上已具有非零自平衡应力。这是由该结构从其提升的固化温度到室温的初始冷却造成的结果。在合成层级别上,这些热残余应力完全是相邻层热膨胀特性中的差异造成的结果。在成分材料级别(纤维/基体)上,热残余应力一定程度上是由前面提到的层级别热残余应力引起的,而在一定程度上是由纤维和基体材料的热膨胀特性中的差异造成的结果。Helius PFA 可显式考虑这些在任何外部应用的载荷和温度变化前就已存在的层级别和成分级别热残余应力。在这种情况下,热残余应力会对复合材料的总应力状态产生影响,从而影响出现材料失效的机械载荷级别。如果要将热残余应力包含在分析中,以下关键字必须包含在 HIN 文件中:

*CURE STRESS

当 *CURE STRESS 关键字包含在 HIN 文件中时,Helius PFA 将明确地说明响应单向复合材料的热残余应力。若要执行此操作,将计算由从无应力温度(即固化温度)到环境温度的固化后冷却引起的层级别和成分级别热残余应力。在这种情况下,无应力温度可从材料数据文件(mdata 文件)中读取,而环境温度对应于 72.5 °F、22.5 °C 或 295.65 °K。当此功能处于活动状态时,层级别和成分级别热残余应力在实际模拟期间应用任何外部机械载荷和/或热载荷之前就已存在。。如果您选择在分析中明确地说明热残余应力,则应检查材料数据文件(mdata 文件)是否确实包含定义的无应力温度;否则,无应力温度将默认为 0°,并且预测的热残余应力将出错。

如果 *CURE STRESS 关键字不包含在 HIN 文件中,则在模拟过程中热残余应力将不包含在该特定复合材料的响应中。在这种情况下,复合材料的无应力温度默认为 Tsf = 0°(不考虑所采用的单位制),而本构关系中使用的温度变化 [σ = C(ε - αΔT)] 将仅按以下方式进行计算:ΔT = T - Tsf = T。此处,应强调以下几点:

  1. 无应力温度 Tsf 的默认值为 0°,即使复合材料数据文件(mdata 文件)明确定义了一个非零无应力温度也是如此。
  2. 无论有限元模型采用何种单位制,当前温度 T 都将完全定义本构关系中所使用的温度变化 ΔT。
  3. 对于在多个温度下特征化的复合材料,当前温度 T 将用于插入对本构关系产生影响的各种材料特性。因此,建议将单温度特征化(即,单温度 mdata 文件)用于有疑问的复合材料。

总之,如果您未将 *CURE STRESS 关键字包括在 HIN 文件中,当前温度 T 将通过以下两种不同的方式影响本构关系:1) 本构关系中使用的温度变化简化为 ΔT=T;2) 将 T 用于插入对本构关系产生影响的温度相关材料特性。

应当强调的是,ANSYS 中的默认温度为 0°。该默认温度与在将第 9 个用户参数指定为 0 时假定的默认无应力温度 0° 完全兼容。在此情况下,通过仅施加 0° 之外的温度,使得模型仍受温度变化约束。但是,这些热应力随着分析的进行而出现变化,而不是在分析开始时显示。

固化比

当 *CURE STRESS 关键字用于 HIN 文件时,默认值 0.5 将用于温度变化计算中所出现的固化比 (Rc)(请参见《理论手册》的“热残余应力”部分中的方程 33a 获取详细信息)。此默认值与研究相符,并且将在《理论手册》中作进一步介绍(有关更多详细信息,请参见《理论手册》的参考 13)。若要替代固化比值的默认值,可以使用可选的 RATIO 参数指定 Rc

*CURE STRESS, [RATIO=Rc]

请查看以下示例:

*CURE STRESS, RATIO=0.7

在此示例中,用于确定温度变化的固化比已设为 0.7。此值适用于分析中使用的所有材料。固化比必须在 0 < RATIO ≤ 1 范围内。

指定环境

默认情况下,*CURE STRESS 关键字使用当前温度和水分含量确定热残余应力。在现实中,这些热残余应力由从固化温度到环境温度的温度变化,以及从环境温度到测试温度的任何潜在变化而确定。考虑到这些不同的温度变化,您可以将可选参数与 *CURE STRESS 关键字结合使用:

*CURE STRESS, [METHOD=SPECIFY ENV], [TEMPERATURE=TAMB]
RCA, RCB

其中包含在方括号 [ ] 内的参数为可选项。如果 METHOD=SPECIFY ENV,可以定义计算热残余应力的材料特性温度。TAMB 为材料特性定义温度环境(在《理论手册》中“热残余应力”部分的方程 32 中使用的材料特性)。RcA 和 RcC 的默认值为 0.5。

如果不使用 METHOD=SPECIFY ENV,则使用 METHOD=CURRENT ENV 的默认行为。在这种情况下,当前湿度和温度用于确定一组用于计算热残余应力的材料特性。

有关热残余应力的全面理论讨论,请参见《理论手册》;有关此功能的演示,请参见示例问题 2

注: 织物材料不支持此功能。