Erstellen von benutzerdefinierten Materialien mit der Helius-PFA-Benutzeroberfläche

Wählen Sie mithilfe der Helius-PFA-Benutzeroberfläche ein Verbundmaterial aus.

Jedes durch Helius PFA verarbeitete Verbundmaterial wird von ANSYS als benutzerdefiniertes Material betrachtet. Die Benutzeroberfläche bietet eine einfache Möglichkeit zum Erstellen dieser Verbundmaterialdefinitionen in der ANSYS-Eingabedatei. Hier können Sie ein Verbundmaterial aus der Materialdatenbank auswählen und eine Reihe verschiedener Optionen für die Multiscale-Konstitutivbeziehungen nutzen, die für das Verbundmaterial verwendet werden. Auf die Benutzeroberfläche kann nur im Modellerstellungs-Vorprozessor (/PREP7)* zugegriffen werden.*

Um die Benutzeroberfläche in ANSYS Mechanical APDL zu öffnen, wechseln Sie zur ANSYS-Werkzeugleiste und klicken Sie auf die Schaltfläche HELIUS. Das Bild unten zeigt, wo sich diese Schaltfläche befindet.

Klassische Benutzeroberfläche

Klicken Sie auf die Schaltfläche Verbundmaterial erstellen. Die Benutzeroberfläche wird dann wie unten dargestellt angezeigt.

Neue Benutzeroberfläche

Wie oben gezeigt, müssen verschiedene Schritte durchgeführt werden, um einen Verbundmaterialtyp für Helius PFA zu definieren. Diese Schritte werden unten beschrieben.

  1. Verbundmaterialauswahl: Wählen Sie ein Verbundmaterial aus der Helius-PFA-Materialbibliothek aus. Wenn die Materialbibliothek kein Verbundmaterial enthält, das Sie in einer Analyse verwenden möchten, muss zuerst eine Materialdatendatei erstellt und der Materialbibliothek hinzugefügt werden (weitere Informationen finden Sie im Benutzerhandbuch für Material Manager). Nachdem Sie ein Verbundmaterial ausgewählt haben, werden die Konstruktionskonstanten für das Material in dem Feld "Konstruktionskonstanten für den ausgewählten Verbundwerkstoff" angezeigt. Diese Konstanten werden im Vorgabeeinheitensystem (N/m/K) des Produkts angezeigt. Um diese Konstanten in einem anderen Koordinatensystem anzuzeigen, können Sie ein anderes Einheitensystem auswählen.

  2. Material-ID: Jedem in der Materialdatenbank gespeicherten Material ist eine ID zugeordnet, da ANSYS zum Identifizieren von Materialien IDs statt Namen verwendet. Die Material-ID für das ausgewählte Material wird in der Helius-PFA-Benutzeroberfläche angezeigt, sodass Sie sich darauf während des restlichen Modellerstellungsprozesses beziehen können.

  3. Umgebung: Wenn das ausgewählte Material Eigenschaften für mehrere Umgebungen (Kombination aus Temperatur und Feuchtigkeit) enthält, wählen Sie aus dieser Liste die Umgebung aus, die Sie während der Analyse verwenden möchten. Nach der Auswahl werden die Materialeigenschaften für die Umgebung auf der Benutzeroberfläche angezeigt.

  4. Einheitensystem: Wählen Sie das Einheitensystem aus, das zum Berechnen von Konstitutivbeziehungen und Spannungen verwendet werden soll. Vorgabemäßig verwendet Helius PFA das Einheitensystem (N/m/K), um Konstitutivbeziehungen anzugeben und Spannung zu berechnen. Wenn das Modell mit einem anderen Einheitensystem erstellt wird, muss Helius PFA die konstitutiven Berechnungen in das für das Finite-Element-Modell erforderliche Einheitensystem konvertieren. Zu diesem Zweck enthält das Produkt Konversionsfaktoren für vier häufig verwendete Einheitensysteme: N/m/K, N/mm/K, lb/in/R und lb/ft/R. Wenn das Finite-Element-Modell eines dieser vier Einheitensysteme verwendet, müssen Sie das entsprechende System aus der Dropdown-Liste auswählen. Wenn das Einheitensystem des Modells nicht in der Dropdown-Liste angezeigt wird, wählen Sie das Vorgabesystem N/m/K aus. Im Abschnitt Die HIN-Datei finden Sie dann weitere Informationen darüber, wie man die HIN-Datei zum Definieren eines benutzerdefinierten Einheitensatzes verwenden kann.

  5. Hauptmaterial-Koordinatensystem: Konstitutivbeziehungen und Spannungen werden von Helius PFA im Hauptmaterial-Koordinatensystem des Verbundmaterials angegeben bzw. berechnet. Hier wählen Sie eine von zwei oder drei möglichen Ausrichtungen für das Hauptmaterial-Koordinatensystem des Verbundwerkstoffs.

    Für unidirektionale Mikrostrukturen: Das vorgegebene Hauptmaterial-Koordinatensystem ist ausgerichtet mit der Richtung '1', die an der Faserrichtung ausgerichtet ist, während die Richtungen '2' und '3' auf der Querisotropieebene des Materials liegen. Diese Vorgabeausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "1" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. In Situationen, in denen der Modellerstellungsprozess dadurch bequemer oder einfacher wird, können Sie die Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems ändern, sodass Richtung '2' auf die Faserrichtung ausgerichtet ist, während die Richtungen '1' und '3' in der Ebene der Querisoptropie des Verbundmaterials liegen. Diese Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "2" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. Wenn Sie den Wert '2' aus der Dropdown-Liste auswählen, aktualisiert die Benutzeroberfläche den Inhalt des Anzeigefelds mit der Bezeichnung "Konstruktionskonstanten für den ausgewählten Verbundwerkstoff".

    Für gewebte Mikrostrukturen: Das vorgegebene Hauptmaterial-Koordinatensystem ist ausgerichtet mit der Richtung '1', die an der Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während die Richtung '2' der Kettgarnrichtung und die Richtung '3' der Richtung außerhalb der Ebene entspricht. Diese Vorgabeausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "1" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. In Situationen, in denen der Modellerstellungsprozess dadurch bequemer oder einfacher wird, können Sie die Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems ändern, sodass Richtung '2' auf die Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während Richtung '1' der Kettgarnrichtung entspricht. Diese Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "2" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung. Darüber hinaus können Sie die Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems ändern, sodass Richtung '3' auf die Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während Richtung '2' der Kettgarnrichtung entspricht. Diese Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems entspricht der Auswahl von "3" aus dem Dropdown-Menü der Faserrichtung.

  6. Progressives Versagen: Wählen Sie, ob eine progressive Schadensanalyse durchgeführt werden soll oder nicht. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen aktivieren, evaluiert Helius PFA routinemäßig das Matrix- und Faserausfallkriterium, um zu bestimmen, ob eine der Konstituenten ausgefallen ist. Jedes einzelne Ausfallkriterium basiert auf dem entsprechenden durchschnittlichen Spannungszustand. Wenn eine oder beide Konstituenten ausfallen, wird die Steifheit der ausgefallenen Konstituente(n) und die Steifheit des Verbundwerkstoffs entsprechend spontan reduziert. Es sollte betont werden, dass eine sofortige Reduzierung der Steifheit einer ausgefallenen Konstituente effektiv zu einer nicht kontinuierlichen, stückweise linearen Spannungs-/Dehnungsreaktion für die Konstituente und den Verbundwerkstoff führt. Wenn diese Art der separaten Materialreaktion jedoch unabhängig voneinander auf jeden der Integrationspunkte in einem großen Finite-Element-Modell angewendet wird, ist das Endergebnis ein allmählicher (oder progressiver) Zerfall der gesamten Steifheit der Verbundstruktur (daher der Name Progressive Schadensanalyse).

    Wenn diese Option nicht aktiviert ist, bleibt die Steifheit der Elemente in der gesamten Analyse konstant, auch wenn der Ausfall vom Ausfallkriterium prognostiziert wird. Diese Berechnungen werden häufig als lineare Analysen bezeichnet.

  7. Eigenschaften von ausgefallenen Geweben berechnen: Bei Auswahl dieser Option erzwingt Helius PFA die Berechnung der Eigenschaften von ausgefallenen Geweben mithilfe der Matrix- und Faserdegradationsniveaus, die in Schritt 9 und 10 angegeben sind. Wenn diese Option nicht ausgewählt ist, werden die Eigenschaften von ausgefallenen Materialien verwendet, die bei Erstellung der Materialdatendatei mithilfe von Composite Material Manager berechnet wurden. Beispiel: Wenn bei Erstellung (mithilfe von Composite Material Manager) des Materials der Matrixdegradationswert 0.7 und der Faserdegradationswert 0.015 betrugen und diese Option nicht ausgewählt ist, werden die fehlgeschlagenen Materialeigenschaften entsprechend einer Matrixdegradation von 0.7 und einer Faserdegradation von 0,015 verwendet. Wenn jedoch diese Option ausgewählt ist, und Sie geben eine Matrixdegradation von 0.8 und eine Faserdegradation von 0.001 in den Schritten 9 und 10 an, dann werden die Eigenschaften von ausgefallenen Materialien entsprechend einer Matrixdegradation von 0.8 und einer Faserdegradation von 0.001 verwendet.

  8. Ausfallkriterium auswählen: Wählen Sie, welches Ausfallkriterium Sie für das ausgewählte Material verwenden möchten. Das ausgewählte Kriterium bestimmt nur den Ausfallbeginn, aber nicht die Schadensprogression. Für unidirektionale Verbundwerkstoffe sind folgende Optionen verfügbar:

    Bei normalen Gewebeverbundmaterialien sind folgende Optionen verfügbar:

    • Benutzer (siehe Helius-PFA-Handbuch für Benutzer-Unterprogramme)
    • MCT (Vorgabe)
    • Max. Spannung
    • Max. Dehnung

    Weitere technische Informationen zu den einzelnen Kriterien finden Sie im Theoriehandbuch.

    Die Schaltfläche "Parameter" wird verfügbar, wenn das ausgewählte Kriterium zusätzliche Parameter enthält, die angegeben werden müssen. Durch Klicken auf diese Schaltfläche wird ein neues Fenster angezeigt, in dem Sie die Parameter für das ausgewählte Kriterium definieren können. Folgende Parameter müssen für jedes Kriterium definiert werden:

    • MCT

      • Druckinduzierte Festigkeitsverbesserung (nur unidirektionale Verbundstoffe): Wählen Sie, ob die experimentell beobachtete Verstärkung des Verbundwerkstoffs beim Vorhandensein einer hydrostatischen Druckspannung berücksichtigt werden soll oder nicht. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen aktivieren, überwacht Helius PFA das Niveau der hydrostatischen Druckspannung in der Matrixkonstituente. Wenn das hydrostatische Druckspannungsniveau in der Matrixkonstituente den Grenzwert überschreitet, wird die Stärke der Matrix- und Faserkonstituenten entsprechend dem Grad des hydrostatischen Druckspannungsniveaus in der Matrixkonstituente nach oben skaliert.

      • Nichtlinearität vor Ausfall: Wählen Sie, ob die häufig bei faserverstärkten Verbundmaterialien beobachtete nichtlineare Längsscherspannungs- bzw. -dehnungsreaktion berücksichtigt werden soll oder nicht. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen aktivieren, verwendet Helius PFA eine viersegmentige (unidirektional) bzw. siebensegmentige (gewebt), stückweise lineare Darstellung der Längsscherspannungs-/-dehnungsreaktion (d. h. sigma12 supc gegenüber eps12 supc und sigma13 supc gegenüber eps13 supc). Die Reaktionen der anderen vier Spannungs- und Dehnungskomponenten werden durch diese Funktion nicht verändert. Die gesamte Reihe von separaten Reduktionen in den Längsschubmodulen des Verbundwerkstoffs wird so durchgeführt, dass die stückweise lineare Längsschubreaktion genau mit den experimentell gemessenen Längsschubdaten für den Verbundwerkstoff übereinstimmt.

        Es sollte betont werden, dass diese Funktion nur für Verbundmaterialien verfügbar ist, bei denen eine Spannungs- bzw. Dehnungskurve für Längsscherung beim MCT-Materialcharakterisierungsprozess bereitgestellt wurde. Wenn diese Funktion für ein Verbundmaterial ohne Längsscherspannungs- bzw. -dehnungskurve angefordert wird, wird eine Fehlermeldung zur Laufzeit ausgegeben, und die Ausführung wird angehalten. Weitere Informationen zur Charakterisierung neuer Verbundmaterialien mithilfe der Funktion "Nichtlinearität vor Ausfall" finden Sie im Benutzerhandbuch für den Material-Manager.

    • Tsai-Wu

      • f*: Kreuzproduktterm. Dieser Wert muss im Bereich 0.5 ≤ f* ≤ 0.0 liegen und wird nur verwendet, wenn σbiax null ist.
      • σbiax: Äquibiaxiale Spannung bei Ausfall. Wenn unbekannt, kann dieser Wert null sein.

    • Hashin

      • α: Gibt die Höhe des Beitrags vom Längsschub bis zum Faserausfallkriterium an. Dieser Wert muss im Bereich 0.0 ≤ α ≤ 1.0 liegen.

  9. Matrixsteifheit nach Ausfall: Dieser Wert ist ein Anteilswert zum Definieren der beschädigten E-Module der Matrixkonstituente, nachdem ein Ausfall der Matrixkonstituente aufgetreten ist. Das heißt, dieser Wert gibt das Verhältnis der ausgefallenen Module der Matrix zu den nicht ausgefallenen Modulen der Matrix an. Der Wert 0.1 bedeutet, dass nach dem Eintritt eines Matrixversagens an einem Integrationspunkt alle sechs Matrixkonstituentenmodule ( e11 supm, e22 supm, e33 supm, g12 supm, g13 supm, g23 supm ) auf 10 % der ursprünglichen unbeschädigten Matrixkonstituentenmodule reduziert werden. Der Wert für die Matrixsteifheit nach Ausfall muss größer als 0 und niedriger oder gleich 1 sein.

  10. Fasersteifheit nach Ausfall: Dieser Wert ist ein Anteilswert zum Definieren der beschädigten E-Module der Faserkonstituente, nachdem der Ausfall der Faserkonstituente aufgetreten ist. Das heißt, dieser Wert gibt das Verhältnis der ausgefallenen Module der Faser zu den nicht ausgefallenen Modulen der Faser an. Der Wert 0.01 bedeutet, dass nach dem Eintritt eines Faserversagens an einem Integrationspunkt alle sechs Faserkonstituentenmodule ( e12 supf, e22 supf, e33 supf, g12 supf, g13 supf, g23 supf ) auf 1 % der ursprünglichen unbeschädigten Faserkonstituentenmodule reduziert werden. Der Wert für die Fasersteifheit nach Ausfall muss größer als 0 und niedriger oder gleich 1 sein.

  11. Konstituentendurchschnittsspannungs-/-dehnungszustände ausgeben: Wählen Sie, ob die Felder für die durchschnittliche Faserspannung und -dehnung und die durchschnittliche Matrixspannung und -dehnung in der Ergebnisdatei ausgegeben werden sollen oder nicht. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen für einen unidirektionalen Verbundwerkstoff aktivieren, erhöht sich die Anzahl der in der Ergebnisdatei ausgegebenen MCT-Zustandsvariablen von 7 auf 35. Wenn Sie dieses Kontrollkästchen für einen gewebten Verbundwerkstoff aktivieren, erhöht sich die Anzahl der in der Ergebnisdatei ausgegebenen MCT-Statusvariablen von 7 auf 91. Das Ausdrucken dieser zusätzlichen Zustandsvariablen führt zu einer leichten Erhöhung der gesamten Laufzeit und zu einer deutlichen Vergrößerung der Ergebnisdatei. Daher sollte diese Option nur ausgewählt werden, wenn die einzelnen durchschnittlichen Spannungs- und Dehnungszustände für Sie relevant sind.

Klicken Sie nach Ausführung der obigen Schritte auf die Schaltfläche OK auf der Helius-PFA-Benutzeroberfläche, um das benutzerdefinierte Verbundmaterial zu erstellen. Nach dem Klicken auf die Schaltfläche "OK" wird der entsprechende ANSYS-Befehl erstellt und für das neue benutzerdefinierte Verbundmaterial ausgeführt. Der neu erstellte ANSYS-Befehl (HELIUS) kann in der ANSYS-Protokolldatei angezeigt werden.

Übergeordnete Seite: Verwenden von ANSYS Mechanical APDL zur Erstellung von Eingabedateien für die Verwendung mit Helius PFA