定义 Helius PFA 材料

使用 HELIUS 命令定义复合材料。

在 ANSYS 输入文件中，有一个命令共同定义 Helius PFA 用户定义的复合材料。此命令是 HELIUSPFA。请看以下行，该行来自完全指定用户定义的复合材料的 ANSYS 输入文件。

HELIUSPFA, MATID, NSTATV, UNITS, PFIB_DIR, PFA, PREFAIL, unused, PRESS, TEMP,FAIL_CRITERION,AUX_1,AUX_2,unused, MDEG, FDEG, MOISTURE

以下是 HELIUSPFA 命令的示例：

HELIUSPFA,9007,7,1,1,1,0,,,650,0,,,,0.01,0.01,2

HELIUSPFA 命令会调用 Helius PFA 宏，并且作为 HELIUSPFA 命令的一部分提供的参数将传递到该宏。对于任何给定的 Helius PFA 材料，参数的数量必须介于 5 和 16 之间。前五个参数是所有 Helius PFA 材料都需要的参数。参数 7 和 13 未使用，应保留为空或设置为 0。附录 A 详细说明了每一个参数，包括每个参数的允许取值范围以及每个参数对多量程本构关系（用于表示材料）的影响。下表中显示了每一个参数并提供了每个参数的简要说明。有关任何特定参数的更详细的说明，请参见附录 A 中的相应部分。

参数由参数控制的本构问题允许值注意
1材料参照编号整数 > 0 
2要跟踪的状态变量数 (SVAR)

单向 → 7 或 35

织物 → 7 或 90

 
3单位制

1 - N/m/K

2 - N/mm/K

3 - lb/in/R

4 - lb/ft/R

5 - 自定义

默认值为 1
4主材料坐标系

单向：

1 -（1 = 纤维，23 = 横向各向同性的平面）

2 -（2 = 纤维，13 = 横向各向同性的平面）

织物：

1 -（1 = 填充牵引，2 = 扭曲牵引，3 = 平面外）

2 -（2 = 填充牵引，1 = 扭曲牵引，3 = 平面外）

3 -（3 = 填充牵引，2 = 扭曲牵引，1 = 平面外）

默认值为 1
5渐进式失效分析0（关闭）、1 或 2（打开）与 14 和 15 一起使用的 2
6失效前非线性0（关闭）、1（打开）默认值为 0，必须激活参数 5
7未使用0 或空 
8静水强化0（关闭）、1（打开 - 仅单向）默认值为 0，必须激活参数 5
9温度

-1（激活温度相关）

值 ≥ 0.0（温度对应于 mdata 文件中的环境）

默认值为 0
10失效准则

单向 → -1、0、1、2、3、4、5、6、7、8

织物 → -1、0、1、2

默认值为 0
11辅助标准参数-1.0 ≤ 值 ≤ 1.0 
12辅助标准参数必须 > 0 
13未使用0 或空 
14基体失效后刚度0 < 值 ≤ 1 
15纤维失效后刚度0 < 值 ≤ 1 
16干湿度

0（环境）、1（干）、2（湿）

默认值为 0

  1. MATID - 第 1 个参数允许您指定要与 Helius PFA 材料相关联的材料参考号。在为 ANSYS 安装该产品后，将在 %AUTODESK_DIR%\Materials 目录（例如，C:\Program Files\Autodesk\Helius PFA 2018\Materials）中创建一个 HPFAMatDB.xml 文件。该文件的用途是将材料参考号 (MATID) 与存储在 %AUTODESK_DIR%\Materials 目录中的材料名称链接起来。Helius PFA 安装附带的复合材料的材料参考号已经包含在此文件中。

    如果新材料文件使用 Composite Material Manager 创建，则 HPFAMatDB.xml 文件会自动更新为包括该新材料，并且还会分配一个材料 ID 号。但是，如果手动复制和编辑材料文件，则 HPFAMatDB.xml 文件必须更新为包含材料参照编号 (MATID) 和新创建的复合材料的名称之间的新链接。如果 HPFAMatDB.xml 文件使用文本编辑器或 Internet 浏览器打开，则内容将如下所示：

    <?xml version="1.0"?>

< HPFAMatDB>

<Material id="9001" name="AS4-3501-6"/>

<Material id="9002" name="AS4_3502"/>

<Material id="9003" name="AS4_8552"/>

<Material id="9004" name="AS_Epoxy1"/>

<Material id="9005" name="Eglass21xK43Gevetex-LY556"/>

<Material id="9006" name="HTS150_TC250"/>

<Material id="9007" name="IM7-977-2"/>

<Material id="9008" name="IM7_5250-4"/>

<Material id="9009" name="IM7_8551"/>

<Material id="9010" name="IM7_8552"/>

<Material id="9011" name="IM7_977-3"/>

<Material id="9012" name="S2\_Glass\_Epoxy2"/>

<Material id="9013" name="SilEglass1200tex-MY750"/>

<Material id="9014" name="T300-BSL914C"/>

<Material id="9015" name="T300_976"/>

<Material id="9016" name="T300_PR319"/>

<Material id="9017" name="T800H_3900-2"/>

</ HPFAMatDB>

    若要在新创建的材料文件和 ANSYS 材料参照编号之间添加链接，请复制现有文件的格式以添加链接这两项的其他行。例如，如果新创建的材料文件保存为“example_composite_material”，则该文件将修改为：

    <?xml version="1.0"?>

<HPFAMatDB>

<Material id="9001" name="AS4-3501-6"/>

<Material id="9002" name="AS4_3502"/>

<Material id="9003" name="AS4_8552"/>

<Material id="9004" name="AS_Epoxy1"/>

<Material id="9005" name="Eglass21xK43Gevetex-LY556"/>

<Material id="9006" name="HTS150_TC250"/>

<Material id="9007" name="IM7-977-2"/>

<Material id="9008" name="IM7_5250-4"/>

<Material id="9009" name="IM7_8551"/>

<Material id="9010" name="IM7_8552"/>

<Material id="9011" name="IM7_977-3"/>

<Material id="9012" name="S2\_Glass\_Epoxy2"/>

<Material id="9013" name="SilEglass1200tex-MY750"/>

<Material id="9014" name="T300-BSL914C"/>

<Material id="9015" name="T300_976"/>

<Material id="9016" name="T300_PR319"/>

<Material id="9017" name="T800H_3900-2"/>

<Material id="9018" name="example\_composite\_material"/>

</HPFAMatDB>

    值 9018 将用作 HELIUSPFA 命令中的第一个参数，并告知 Helius PFA 使用材料“example_composite_material”。

  2. NSTATV - 第 2 个参数用于标识求解相关的 MCT 状态变量 (SVARS) 的数量，这些变量必须在有限元模型中的每个积分点处追踪。求解相关的 MCT 状态变量的数量取决于您是否希望访问成分平均应力和应变以及复合材料（单向或织物）的微观结构。对于单向材料，此参数的允许值为 7 或 35，而对于织物材料，则为 7 或 91。如果您不希望访问成分平均应力和应变，应当请求 7 个状态变量。在此种情况下，对于单向材料，应当请求 35 个状态变量，而对于织物材料，则应当请求 91 个状态变量。

  3. UNITS - 第三个参数指定计算本构关系和应力时应使用的单位制。在上述示例中，第三个参数有一个值为 1，表示本构关系和应力应当使用默认单位制 (N/m/K) 计算。可以通过第一个参数的特定值请求其他三种单位制（即 2 → N/mm/K、3 → lb/in/°R 以及 4 → lb/ft/°R）。还有一种自定义的（或用户定义的）单位制，可使用值 5 来指定。有关创建一组自定义单位的说明，请参见 HIN 文件部分。

  4. PFIB_DIR - Helius PFA 用于表示本构关系，并计算复合材料的主材料坐标系中的应力。第 4 个参数指定软件使用的主材料坐标系的特定方向。

    • 单向微观结构：当“2”和“3”方向位于横向各向同性的材料平面中时，默认主材料坐标系使用与纤维方向一致的“1”方向进行定向。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。第 4 个参数中的数值（1 或 2）指定哪些主材料坐标轴将于纤维方向保持一致。
    • 织物微观结构：当“2”方向与扭曲牵引方向一致，“3”方向与平面外方向一致时，默认主材料坐标系使用与填充牵引方向一致的“1”方向进行定向。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。

  5. PFA - 第 5 个参数可激活或停用渐进式失效分析功能。如果渐进式失效功能处于激活状态，Helius PFA 将定期评估基体失效准则和纤维失效准则，以确定是否有一个成分材料已失效。每个成分失效准则均基于相应的成分平均应力状态。如果一个或两个成分都失效，则失效成分的刚度和复合材料的刚度都会相应地降低到各自失效后的刚度。

    • 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。如果值为 2，将激活渐进式失效功能，并使用由第 14 个和第 15 个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。如果值为 1，将不添加预处理期间的运行时间，因为失效材料特性（在 Composite Material Manager 中创建材料期间指定的基体和纤维降级级别）已存储在材料文件中。

  6. PREFAIL（可选） - 第 6 个参数可激活或取消激活失效前非线性功能。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。当失效前非线性功能处于激活状态时，Helius PFA 会明确考虑在单向纤维加强型复合材料中经常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，sigma 12 与 eps 12，以及 sigma 13 与 eps 13），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。

    注意：失效前非线性功能仅适用于在 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。如果为经过特征化但无纵向剪切应力/应变曲线的复合材料请求此功能，在运行时会发出一条错误消息，执行也会停止。有关在材料特征化过程中使用测量的纵向剪切数据的详细信息，请参见《材料管理器用户手册》。

  7. 参数 7 未使用。

  8. PRESS（可选，仅适用于单向复合材料） - 第 8 个参数可激活或停用静水强化功能。如果值为 1，会激活静水强化功能，而值为 0 时会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。

    注意：静水强化功能仅适用于单向复合材料。织物复合材料会忽视此功能。

  9. TEMP - 第 9 个参数用于指定温度值，该温度值与要在分析中使用的材料数据文件（即 mdata 文件）中的环境相对应。 例如，如果 mdata 文件包含以 600、650 和 700 R 特征化的环境，并且第 9 个参数的值为 650，则以 650 R 存储的特性将用于分析中。此温度值以及湿度标志（参数 16）用于完全指定要在分析中使用的环境。如果 mdata 文件包含一组特性，第 9 个参数可以保留为空。

    如果第 9 个参数的值设置为 -1.0，温度相关性功能将被激活。当温度相关性处于活动状态时，Helius PFA 将为位于材料文件中存储的最低和最高温度点边界内的任何给定温度线性插入复合材料和成分特性。以最低温度基准存储的材料特性用于低于最低存储温度基准的温度（软件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。有关使用温度相关材料特性的详细信息，请参见《原理手册》。

  10. FAIL_CRITERION - 第 10 个参数指定用于评估复合材料中失效萌生的准则。 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-Hil

    4. Tsai-Wu

    5. Christensen

    6. Hashin

    7. Puck

    8. LaRC02

    织物复合材料可以使用准则标志的以下值：

    -1. 用户

    0. MCT

    1. 最大应力

    2. 最大应变

  11. AUX1 - 第 11 个参数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。

  12. AUX2 - 第 12 个参数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 0。

  13. 参数 13 未使用。

  14. MDEG - 第 14 个参数是一个分数，用于定义基体成分失效发生后的基体成分的损坏弹性模量。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 将指定在某个积分点处发生基体失效后，所有六个基体成分模量（e11、e22、e33、g12、g13、g23）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。如果未指定第 14 个参数，则假设默认值为 0.1。

  15. FDEG - 第 15 个参数是一个分数，用于定义在发生纤维成分失效后纤维成分的损坏弹性模量。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 将指定在某个积分点处发生纤维失效后，所有六个纤维成分模量（e11、e22、e33、g12、g13、g23）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。如果未指定第 15 个参数，则假设默认值为 1E-06。

  16. MOISTURE - 第 16 参数指定湿度标志，该湿度标志与要在分析中使用的材料数据文件（即 mdata 文件）中的环境相对应。 对于干湿条件，将参数设为 0 以代表环境，1 代表干，2 代表湿。例如，如果 mdata 文件包含以环境、湿和干等干湿度条件为特征的环境，并且第 16 个参数设置为 1，则湿度成分的干性特性将用于分析。湿度标志和温度值（参数 9）用于完全指定要在分析中使用的环境。如果 mdata 文件包含一组特性，第 16 个参数可以保留为空。

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