定义 Helius PFA 复合材料

使用三个关键字语句来定义用户定义的复合材料。

共同定义 Helius PFA 用户定义材料的三个关键字语句为：*MATERIAL、*DEPVAR 和 *USER MATERIAL（*DENSITY 用于 Abaqus/Explicit 分析）。请考虑以下行，它们来自完整指定 Helius PFA 用户定义复合材料的 Abaqus 输入文件。

*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 关键字表示材料定义的开始，并且“name=IM7_8552”选项用于指定复合材料名。名称“IM7_8552”必须与在 Helius PFA 复合材料数据库找到的材料名称以及在输入文件截面定义中指定的名称完全匹配。

*DEPVAR 关键字用于确定求解相关的 MCT 状态变量的编号，并且必须在有限元模型的每个积分点处跟踪此状态变量。求解相关的 MCT 状态变量的编号在 *DEPVAR 语句后的第一行数据行上指定。本示例有 7 个求解相关的 MCT 状态变量。如果没有申请基于能量的降级，则在 *DEPVAR 语句中申请的 MCT 状态变量数的允许值是最小的 7 组，如果申请了基于能量的降级（仅用于单向复合材料），则为 11 组，对于单向复合材料则是全部 35 组，或者对于机织复合材料是全部 91 组。对于 Abaqus/Explicit 分析，仅需将 6 添加到在之前句子中列出的值（请参阅申请复合材料的 MCT 状态变量输出部分的流程图）。强烈建议，对于单向和机织复合材料，应该在 *DEPVAR 语句中申请最少 7 组 MCT 状态变量，除非您想要在后期处理时访问成分平均应力和应变。请参见附录 C 以获取对可用于单向和机织复合材料的不同 MCT 状态变量的完整说明。

*USER MATERIAL 关键字表示材料是用户定义的材料类型。“constants=16”选项表示为材料指定了总共 16 个用户材料常量。总体而言，用户材料常量由 Helius PFA 用户材料子例程用于确定将用于材料的多量程本构关系的确切形式。

*DENSITY 关键字定义材料密度，并且仅 Abaqus/Explicit 分析需要使用。使用此关键字与定义标准 Abaqus 材料并无区别。

对于任何给定的 Helius PFA 材料，用户材料常量数必须介于 3 和 18 之间。所有 Helius PFA 材料均需要前三个用户材料常量。用户材料常量 17 和 18 仅用于 Abaqus/Explicit。附录 A 提供了每个用户材料常量的详细说明，包括每个常量的允许值范围，以及每个常量对于用于表示材料的多量程本构关系的影响。下面列出了通常在并入 Helius PFA 的分析中定义的每个用户材料常量以及简要描述。

1. 单位制 - 第 1 个用户材料常量指定应该用于计算本构关系和应力的单位制。在上述示例中，第一个用户材料常量的值为 1，这表示 Helius PFA 应该按照默认单位制 (N/m/K) 来计算本构关系和应力。除了自定义（或用户定义的）单位制外，通过指定第一个用户材料常量的特定值，还可以申请其他三种单位制（2 -> N/mm/K、3 -> lb/in/R 以及 4 -> lb/ft/R）。有关定义自定义单位制的详细信息，请参阅 HIN 文件部分。
2. 主材料坐标系 - Helius PFA 表示本构关系，并且计算复合材料主材料坐标系的应力。第 2 个用户材料常量指定要使用的主材料坐标系的特定方向。
   • 单向微观结构：默认的主材料坐标系通过以下方式来定向：“1”方向与纤维方向对齐，而“2”和“3”方向位于横向各向同性的材料平面。此主材料坐标系的默认方向由将第二个用户材料常量设置为 1 的值来选择。但是，如果要方便或简化模型创建过程，您可以更改主材料坐标系的取向，以便“2”方向与纤维方向对齐，而“1”和“3”方向位于位于横向各向同性的复合材料平面。此主材料坐标系的备选方向由将第二个用户材料常量设置为 2 的值来选择。通常情况下，第二个用户材料常量的数值可以确定与纤维方向对齐的特定主材料轴。
   • 织物微观结构：默认的主材料坐标系通过以下方式来定向：“1”方向与填充牵引方向对齐，而“2”方向对应于扭曲牵引方向，“3”方向对应于平面外方向。此主材料坐标系的默认方向由将第二个用户材料常量设置为 1 的值来选择。但是，如果要方便或简化模型创建过程，您可以更改主材料坐标系的取向，以便“2”方向与填充牵引方向对齐，而“1”方向对应于扭曲牵引方向。此主材料坐标系的备选方向由将第二个用户材料常量设置为 2 的值来选择。此外，您可以更改主材料坐标系的取向，以便“3”方向与填充牵引方向对齐，而“2”方向对应于扭曲牵引方向。。此主材料坐标系的特定方向由将第二个用户材料常量设置为 3 的值来选择。通常，第二个用户材料常量的数值用于标识与填充牵引方向对齐的特定主材料轴。
3. 渐进式失效分析 - 第 3 个用户材料常数用于激活或取消激活产品的渐进式失效分析功能。如果渐进式失效功能处于激活状态，当失效由所选失效准则预测时，Helius PFA 将根据所选损坏演变方法对单元刚度进行降级。如果该功能处于取消激活状态，则在整个分析过程中单元刚度将保持不变。这通常称为线性分析。
   • 单向微观结构：值 1 将激活渐进式失效分析功能，而值 0 将取消激活渐进式失效分析功能。
   • 织物微观结构：值 0 将取消激活渐进式失效功能。值 1 将激活渐进式失效功能，并使用材料数据文件中的基体和纤维退化级别来计算失效材料特性。值 2 将激活渐进式失效功能，并使用由第 12 个和第 14 个用户材料参数指定的基体和纤维退化级别来计算失效材料特性。如果为平织选择值 2，则每个织物材料的预处理时间将增加大约 45-60 秒。对于缎纹编织，每个材料的预处理时间可以增加到 30-60 分钟。值 1 将不添加预处理期间的运行时间，因为失效材料特性已存储在材料文件中。
4. 失效前非线性（可选，仅用于使用 Abaqus/Standard 中的 MCT 失效准则） - 第 4 个用户材料常量激活或停用产品的失效前非线性功能。如果值为 1，将激活失效前非线性功能，而默认值 0 将取消激活失效前非线性功能。如果激活了失效前非线性功能，Helius PFA 将可以明显解释通常在纤维加固的复合材料中观察到的非线性纵向剪切应力/应变响应。失效前非线性功能对基体成分材料的纵向剪切刚度实施一系列离散缩减，从而导致复合材料的非线性纵向剪切响应与实验测量的数据更加匹配。应当强调的是，失效前非线性功能仅影响复合材料的纵向剪切模量（即， 与 ，以及 与 ），而其他四个复合材料应力和应变分量的响应仍不受此功能影响。此外，失效前非线性功能将不改变复合材料发生失效时的剪切应力级别；但是，这将导致在发生失效前复合材料的纵向剪切变形的整体增加。
5. 损坏演变方法 - 第 5 个用户材料常量允许您选择瞬时或基于能量的损坏演变方法。值为 0 将激活瞬时降级，值为 2 将激活基于能量的降级。
   • 瞬时降级：如果瞬时降级功能处于激活状态，Helius PFA 立即将复合模量的刚度降低至其最小值。应当强调的是，失效成分的刚度瞬时缩减将有效地导致成分和复合材料的不连续的分段线性应力/应变响应。但是，当此离散材料响应类型独立应用于大型有限元模型中的每个积分点处时，最终结果是复合结构的整体刚度逐渐（渐进式）降级（因此命名为渐进式失效分析）。
   • 基于能量的降级（仅单向材料）：如果激活了基于能量的降级功能，则在保存第十二和第十三个用户材料常量提供的能量的同时，检测到失效事件后，Helius PFA 会自动将复合模量的刚度以线性方式减少到最小值。如果三维单元用于基于能量的降级，则第 11 个用户材料常量表示三维单元的平均厚度。在触发失效准则后，随着复合材料应变状态在超过失效初始时的级别后持续增加，合成刚度将通过应用一系列离散刚度缩减而逐渐降低。受影响的特定刚度完全取决于已触发的成分失效。此功能仅与 MCT 失效准则和单向材料兼容。
   注： 如果启用了基于能量的降级功能，则在 Abaqus/Standard 中，求解相关的 MCT 状态变量的最小数量必须从 7 上升至 11，而在 Abaqus/Explicit 中则必须从 13 上升至 17。
6. 静水加固（可选，仅用于在 Abaqus/Standard 中使用 MCT 失效准则的单向复合材料） - 第 6 个用户材料常数用于激活或取消激活产品的静水强化功能。值 1 将激活静水强化功能，而默认值 0 将取消激活静水强化功能。如果静水强化功能处于激活状态，则在存在静水压缩应力时，Helius PFA 会明确考虑实验观察复合材料强化。如果基体成分中的静水压缩应力超出了阈值，将根据基体成分中的静水压缩应力级别，向上缩放基体成分和纤维成分中的强度。
7. 温度 - 第 7 个用户材料常量用于指定与在分析中使用的材料数据文件（mdata 文件）中的环境对应的温度值。例如，如果 mdata 文件包含在 600、650 和 700 R 处特征化的环境，并且第 7 个常量的值为 650，则在分析中将使用在 650 R 处存储的特性。此温度值以及水分标志（用户材料常量 16）用于完全指定在分析中使用的环境。如果 mdata 文件包含一组特性，则第七个用户材料常量可以为空。

   如果第七个用户材料常量的值设置为 -1.0，则将激活温度相关性功能。当温度相关处于活动状态时，对于位于材料文件中存储的最低和最高温度点范围内的任何给定温度，产品将线性插入复合材料和成分特性。对于低于最低存储温度基准的温度，Helius PFA 将使用最低温度基准时刻存储的材料特性（不会推算超出边界存储温度数据点的特性）。此方法同样适用于高于最高存储温度基准的温度。有关 Helius PFA 中温度相关材料特性的更多信息，请参见《理论手册》。

8. 失效准则标志 - 第 8 个材料常量指定用于在复合材料中评估失效萌生的准则。对于单向复合材料，有效值包括：

   -1. 用户

   0. MCT

   1. 最大应力

   2. 最大应变

   3. Tsai-Hill

   4. Tsai-Wu

   5. Christensen

   6. Hashin

   7. Puck

   8. LaRC02

   平织复合材料可将以下值用于准则标志：

   -1. 用户

   0. MCT

   1. 最大应力

   2. 最大应变

9. 辅助准则参数 1 - 用户材料常量 9 用于指定某些辅助失效准则的参数。如果选择 Tsai-Wu，此常数表示叉积术语，f*。如果选择 Hashin，此常数表示纵向剪切应力对纤维失效准则的贡献，α。
10. 辅助准则参数 2 - 用户材料常量 10 用于指定某些辅助失效准则的参数。如果选择了 Tsai-Wu，此常数在失效时表示可选等比双轴应力（即 σ₁₁ 和 σ₂₂ 的组合）。如果该值为未知，可以将其保留为零。
11. 平均单元厚度/降级时间段 - 这是用户材料常量 11。对于使用基于能量的降级的分析而言，该值表示与材料关联的三维（即实体）单元的平均单元厚度。对实体单元使用平均单元厚度来计算表示层平面内单元面积的代表性单元长度。对于二维单元（即壳单元和平面应力单元），此值将被忽略，而应输入为 1.0。
    注： 平均单元厚度仅适用于使用基于能量的降级的分析。对于不使用基于能量的降级的分析，将忽略此值。
    注： 平均单元厚度仅适用于单向复合材料。织物复合材料将忽略第十一个用户材料常量。

    对于使用瞬时降级的 Abaqus/Explicit 分析，用户材料常量 11 用于指定使材料刚度降级的时间段。当材料状态更改时，在指定时间段内，刚度会逐渐转向新状态的刚度。此方法有助于减轻由刚度中较大的真实瞬时更改（时间段 = 0）产生的不利动态影响。

12. 基体失效后刚度/基体退化能量 - 对于不使用基于能量的降级的分析，第 12 个用户材料常量是用于定义基体成分失效发生后，基体成分受损弹性模量的分数。具体而言，该值是失效的基体成分模量与未失效的基体成分模量之间的比率。如果值为 0.1，则表明在某个积分点处发生基体失效后，所有六个基体成分模量（、、、、、）都将减少到原始未损坏基体成分模量的 10%。基体失效后刚度值必须大于 0，且小于或等于 1。默认情况下，基体失效后刚度值设为 0.1。

    对于使用基于能量的降级的分析，此值是在失效事件后获取复合刚度线性降级的基体失效前后散发的总能量具体而言，在发生基体失效事件后，复合材料 、、、 和 将根据此能量、纤维失效时复合材料的应力状态和单元体积进行降级。

    注： 对于织物复合材料，如果指定了基体失效后刚度，第 3 个用户材料常量（渐进式失效分析）的值必须设置为 2。如果第 3 个常量的值设为 1，则第 12 个用户常量将被忽略。
13. 纤维失效后刚度 - 对于使用瞬时降级的分析，第 13 个用户材料常量是用于定义发生纤维成分失效后纤维成分的损坏弹性模量的分数。具体而言，该值是失效的纤维成分模量与未失效的纤维成分模量之间的比率。如果值为 0.01，则表明在某个积分点处发生纤维失效后，所有六个纤维成分模量（、、、、、）都将减少到原始未损坏纤维成分模量的 1%。纤维失效后刚度值必须大于 0 且小于或等于 1。纤维失效后刚度的默认值自动设置为 1E-06。
    注： 对于机织复合材料，如果已指定纤维失效后刚度，则必须将第 3 个用户材料常量（渐进式失效分析）设为值 2。如果第 3 个常数设置的值为 1，则第 13 个用户常数将会被省略。
14. 纤维退化能量 - 对于使用基于能量的降级的分析，第 14 个用户和材料常量是为在纤维失效事件前后获取复合刚度的线性降级的纤维失效所散发的总能量。具体而言，在发生纤维失效事件后，复合材料 、 和 将根据此能量、纤维失效时复合材料的应力状态和单元体积线性降级。
15. 用户材料常量 15 - 第 15 个常量没有使用。
16. 湿度 - 第 16 个用户材料常量用于指定与在分析中使用的材料数据文件（mdata 文件）中的环境相对应的湿度标志。在为此常量设置的值中，0 表示环境、1 表示干燥，而 2 则表示潮湿条件。例如，如果 mdata 文件包含在环境、潮湿和干燥湿度条件下特征化的环境，并且第 16 个常量的值设置为 1，则干燥湿度内容的特性将用于分析。湿度标志与温度值（用户材料常量 7）将用于完全指定用于分析的环境。如果 mdata 文件包含单个特性集，则第十六个用户材料常量可以为空。
17. 基体应变率强化 - 用户材料常量 17 仅用于 Abaqus/Explicit 分析，可以指定基体中因为大应变率发生的强化数量。使用以下方程缩放每个成分 β 的失效指标：

    

    在上述方程中，ζ_β 是用户材料常量 17 定义的 β 成分的强化参数应变率。此值默认为 0.01。

18. 纤维和应变率强化 - 用户材料常量 18 仅用于 Abaqus/Explicit 分析，可以指定纤维中因为大应变率发生的强化数量。使用以下方程缩放每个成分 β 的失效指标：

    

    在上述方程中，ζ_β 是用户材料常量 18 定义的 β 成分的强化参数应变率。此值默认为 0.0。