使用 Helius PFA GUI 创建用户定义的材料
使用 Helius PFA GUI 选择复合材料。
每个由 Helius PFA 处理的复合材料都被 ANSYS 视为是用户定义的材料。该 GUI 提供一种简单的方法来在 ANSYS 输入文件中创建这些复合材料定义。它可以让您从材料数据库中选择复合材料，并选择用于复合材料的多量程本构关系的多个不同选项。该 GUI 只能通过模型创建预处理器 (/PREP7) 访问。
若要从 ANSYS Mechanical APDL 中打开该 GUI，请转到 ANSYS 工具栏，并单击“HELIUS”按钮。下图描绘了此按钮所在的位置。
单击“创建复合材料”按钮，GUI 将如下所示。
如上所示，使用 GUI 定义 Helius PFA 的复合材料类型涉及到几个步骤。下面介绍了其中每个步骤。
复合材料选择 - 从 Helius PFA 材料库中选择一种复合材料。如果材料库不包含要在分析中使用的复合材料，则必须首先创建材料数据文件，并将其添加到材料库（请参见《材料管理器用户手册》）。在选择复合材料后，该材料的工程常量将显示在标为“选定复合材料的工程常量”的框中。这些常量都使用产品的默认单位制 (N/m/K) 显示。若要在其他坐标系中显示这些常量，可以选择其他单位制。
材料 ID - 每个存储在材料数据库中的材料都会分配一个 ID，因为 ANSYS 使用 ID（而非名称）来标识材料。 所选材料的特定材料 ID 显示在 Helius PFA GUI 中，以便可以在模型构建过程的其余部分中进行参考。
环境 - 如果选定的材料包含多个环境的材料特性（温度和湿度的组合），则从此列表中选择要在分析期间使用的环境。 选择环境后，适用于该环境的材料特性将显示在 GUI 中。
单位制 - 应选择用于计算本构关系和应力的单位制。默认情况下，Helius PFA 使用 (N/m/K) 单位制来表示本构关系和计算应力。如果使用其他单位制创建模型，则 Helius PFA 必须将其本构计算转换为有限元模型要求的单位制。出于此类目的，产品包含以下四种常用单位制的换算因子：N/m/K、N/mm/K、lb/in/R 和 lb/ft/R。如果有限元模型使用这四种单位制之一，则必须从下拉列表中选择相应的单位制。如果模型的单位制没有显示在下拉列表中，请选择默认的 N/m/K 单位制；有关如何使用 HIN 文件来定义自定义单位设置的详细信息，请参见 HIN 文件部分。
主材料坐标系 - Helius PFA 使用复合材料的主材料坐标系来表示本构关系和计算应力。在这里，您可以为复合材料的主材料坐标系从两三种可能的方向中选择一个方向。
对于单向微观结构：默认的主材料坐标系通过将“1”方向与纤维方向对齐来定向，而“2”和“3”方向位于横向各向同性的材料平面。主材料坐标系的此默认方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“1”。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。主材料坐标系的此特定方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“2”。如果从下拉列表中选择值“2”，GUI 会更新标为“选定复合材料的工程常量”显示框中的内容。
对于织物微观结构：默认的主材料坐标系通过将“1”方向与填充牵引方向对齐来定向，而“2”方向对应于扭曲牵引方向，“3”方向对应于平面外方向。主材料坐标系的此默认方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“1”。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。主材料坐标系的此特定方向对应于从纤维方向下拉菜单中所选的“2”。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。。主材料坐标系的此特定取向对应于从纤维方向下拉菜单中选择“3”。
渐进式失效 - 选择是否执行渐进式失效分析。 如果您选中此框，Helius PFA 将会经常评估基体和纤维失效准则以确定任一成分是否失效。每个成分失效准则均基于相应的成分平均应力状态。如果两个成分中的一个或两者都失效，则失效成分的刚度和复合材料的刚度会立即相应降低。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）。
如果未选中此选项，则单元刚度将在整个分析中保持不变，即使失效准则预测到失效也是如此。此类分析通常称为线性分析。
计算失效的织物特性 - 选择此选项将使 Helius PFA 使用在步骤 9 和 10 中指定的基体和纤维退化级别来计算失效的织物特性。如果未选择此选项，将使用在通过 Composite Material Manager 创建材料数据文件时计算的失效材料特性。例如，当（使用 Composite Material Manager）创建材料时，如果基体降级值为 0.7，纤维降级值为 0.015，并且未选择此选项，则使用与基体降级值 0.7 和纤维降级值 0.015 相对应的失效材料特性。从另一方面来看，如果已选择此选项，并在步骤 9 和 10 中指定 0.8 基体退化和 0.001 纤维退化，将使用对应于 0.8 的基体退化和 0.001 的纤维退化的失效材料特性。
选择失效准则 - 选择要用于选定材料的失效准则。所选的准则仅表示失效萌生，而非损坏进展。对于单向复选材料，可用选项有：
- 用户（请参见《安装和操作手册》）
- MCT（默认）
- 最大应力
- 最大应变
- Tsai-Hil
- Tsai-Wu
- Christensen
- Hashin
- Puck
- LaRC02
对于平织复合材料，可用选项包括：
- 用户（请参见《Helius PFA 用户子例程手册》）
- MCT（默认）
- 最大应力
- 最大应变
请参见《理论手册》以了解有关每个准则的技术信息。
如果所选准则必须提供其他参数，“参数”将可用。单击此按钮将显示一个新窗口，该窗口允许您定义所选准则要求的参数。必须为每个准则定义的参数有：
MCT
压力引起的强度增强（仅单向复合材料）- 存在静水压缩应力时，选择是否考虑实验中出现的复合材料强化。如果选中此框，Helius PFA 将监视基体成分中的静水压缩应力级别。如果基体成分中的静水压缩应力级别超出了阈值，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。
失效前非线性 - 选择是否考虑纤维增强复合材料中常出现的非线性纵向剪切应力/应变响应。如果选中此框，Helius PFA 将使用纵向剪切应力/应变响应的四段（单向）或七段（织物）分段线性表示（即
与 
以及 
与 
）。其他四个应力和应变分量的响应不受此功能影响。复合材料的纵向剪切模量中整个系列的离散缩减通过分段线性纵向剪切响应与复合材料的实验测量纵向剪切数据紧密匹配执行。应当强调的是，此功能仅适用于在 MCT 材料特征化过程中提供了纵向剪切应力/应变曲线的复合材料。如果在不使用纵向剪切应力/应变曲线的情况下特征化的复合材料请求该功能，则在运行时会发出错误消息，并且执行也会停止。有关使用“失效前非线性”功能特征化新复合材料的详细信息，请参见《材质料管理器用户手册》。
Tsai-Wu
- f* - 交叉积项。此值的范围必须是：0.5 ≤ f* ≤ 0.0，且仅当 σbiax 为零时使用。
- σbiax - 失效时的等双轴应力。如果未知，此值可以保留为 0。
Hashin
- α - 指定纵向剪切对纤维失效准则所做的贡献量。此值的范围必须是：0.0 ≤ α ≤ 1.0。
基体失效后刚度 - 此值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。值为 0.1 表示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。纤维失效后刚度 - 此值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。值为 0.01 表示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。输出成分平均应力和应变状态 - 选择是否将纤维平均应力和应变场以及基体平均应力和应变场输出到结果文件。如果为单向复合材料选中此框，则输出到结果文件的 MCT 状态变量数将从 7 个上升到 35 个。如果为织物复合材料选中此框，则输出到结果文件的 MCT 状态变量数将从 7 个上升到 91 个。打印这些额外的状态变量将稍微增加总运行时间，但会大幅增加结果文件大小。因此，仅当您对成分平均应力和应变状态感兴趣时，才应选择此选项。
完成上述步骤后，单击 Helius PFA GUI 上的“确定”按钮以创建用户定义的复合材料。单击“确定”按钮后，将创建相应的 ANSYS 命令，并且将对新的用户定义复合材料执行该命令。新创建的 ANSYS 命令 (HELIUS) 可以在 ANSYS 日志文件中查看。