Definieren eines Helius-PFA-Materials

Verwenden Sie den Befehl HELIUS, um ein Verbundmaterial zu definieren.

In einer ANSYS-Eingabedatei gibt es einen Befehl, der gemeinsam ein benutzerdefiniertes kohäsives Material für Helius PFA definiert. Dieser Befehl lautet HELIUSPFA. Beachten Sie die folgende Zeile aus einer ANSYS-Eingabedatei, welche ein benutzerdefiniertes Verbundmaterial vollständig angibt.

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

Ein HELIUSPFA-Befehl kann beispielsweise wie folgt aussehen:

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

Der Befehl HELIUSPFA ruft das Helius-PFA-Makro auf, und die als Teil des Befehls HELIUSPFA bereitgestellten Argumente werden an das Makro übergeben. Für ein beliebiges Helius-PFA-Material muss die Anzahl der Argumente zwischen 5 und 16 liegen. Die ersten fünf Argumente sind für alle Helius-PFA-Materialien erforderlich. Die Argumente 7 und 13 werden nicht verwendet und sollten leer gelassen oder auf 0 gesetzt werden. Anhang A enthält eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Argumente, einschließlich des zulässigen Wertebereichs für jedes Argument und der Auswirkungen, die jedes Argument auf die Multiscale-Konstitutivbeziehungen hat, die zur Darstellung des Materials verwendet werden. Jede Argument wird in der untenstehenden Tabelle gezeigt und kurz beschrieben. Eine ausführlichere Beschreibung der Argumente finden Sie im entsprechenden Abschnitt von Anhang A.

1. MATID : Das 1. Argument ermöglicht es Ihnen, eine Materialreferenznummer anzugeben, die mit einem Helius-PFA-Material verknüpft werden soll. Wenn das Produkt für ANSYS installiert wird, wird eine Datei HPFAMatDB.xml im Verzeichnis %AUTODESK_DIR%\Materials (z. B. C:\Programme\Autodesk\Helius PFA 2018\Materials) erstellt. Der Zweck dieser Datei ist die Verknüpfung der Materialreferenznummer (MATID) mit dem Namen eines im Verzeichnis %AUTODESK_DIR%\Materials gespeicherten Materials. Die zur Helius-PFA-Produktinstallation gehörenden Materialreferenznummern für die Verbundmaterialien sind bereits in dieser Datei enthalten.

   Wenn mit Composite Material Manager ein neues Material erstellt wird, wird die Datei HPFAMatDB.xml automatisch mit dem neuen Material aktualisiert und es wird eine Material-ID vergeben. Wenn die Materialdateien jedoch manuell kopiert und bearbeitet werden, muss die Datei HPFAMatDB.xml so aktualisiert werden, dass die neue Verknüpfung zwischen der Materialreferenznummer (MATID) und dem Namen des neu erstellten Verbundmaterials enthalten ist. Wenn die Datei HPFAMatDB.xml mit einem Texteditor oder Internet-Browser geöffnet wird, sieht der Inhalt etwa wie folgt aus:

   <?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>

   Um eine Verknüpfung zwischen einer neu erstellten Materialdatei und einer ANSYS-Materialreferenznummer hinzuzufügen, kopieren Sie das Format der vorhandenen Datei, um eine weitere Zeile hinzuzufügen, die beide Elemente miteinander verknüpft. Wenn die neu erstellte Materialdatei beispielsweise unter example_composite_material gespeichert wurde, würde die Datei folgendermaßen geändert:

   <?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>

   Der Wert 9018 würde als erstes Argument im Befehl HELIUSPFA verwendet werden und weist Helius PFA an, das Material „example_composite_material“ zu verwenden.

2. NSTATV : Das 2. Argument wird verwendet, um die Anzahl der lösungsabhängigen MCT-Zustandsvariablen (SVARS) festzulegen, die an jedem Integrationspunkt im Finite-Element-Modell nachverfolgt werden müssen. Die Anzahl der lösungsabhängigen MCT-Zustandsvariablen hängt davon ab, ob Sie Zugriff auf Konstituentendurchschnittsspannungen und -dehnungen und die Mikrostruktur des Verbundwerkstoffs (unidirektional oder gewebt) erlangen möchten. Zulässige Werte für dieses Argument sind 7 oder 35 für unidirektionale Materialien und 7 oder 91 für gewebte Materialien. Es sollten 7 Zustandsvariablen angefordert werden, es sei denn, Sie möchten Zugriff zu den Konstituentendurchschnittsspannungen und -dehnungen haben. In diesem Fall sollten 35 Zustandsvariablen für unidirektionale Materialien und 91 Zustandsvariablen für gewebte Materialien angefordert werden.

3. UNITS : Das 3. Argument gibt das Einheitensystem an, das bei der Berechnung der Konstitutivbeziehungen und Spannungen verwendet werden soll. Im Beispiel oben besitzt das 3. Argument den Wert 1 und gibt an, dass die Konstitutivbeziehungen und -spannungen im vorgabemäßigen Einheitensystem (N/m/K) berechnet werden sollen. Es gibt drei andere Einheitensysteme (2 → N/mm/K, 3 → lb/in/R und 4 → lb/ft/R), die über bestimmte Werte des 1. Arguments angefordert werden können. Es gibt auch eine benutzerdefiniertes Einheitensystem, das sich über den Wert 5 angeben lässt. Weitere Informationen zum Erstellen eines benutzerdefinierten Einheitensatzes finden Sie im Abschnitt Die HIN-Datei.

4. PFIB_DIR : Helius PFA drückt Konstitutivbeziehungen aus und berechnet die Spannung im Hauptmaterial-Koordinatensystem des Verbundmaterials. Das 4. Argument gibt die spezifische Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems an, das von der Software verwendet wird.

   • Unidirektionale Mikrostrukturen: Das vorgabemäßige Hauptmaterial-Koordinatensystem ist auf die Richtung '1' in Faserrichtung ausgerichtet; die Richtungen '2' und '3' liegen hingegen in der Materialebene der Querisotropie. 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. Der numerische Wert (1 oder 2) des 4. Arguments gibt an, welche der Hauptmaterial-Koordinatenachsen auf die Faserrichtung ausgerichtet wird.
   • Gewebte Mikrostrukturen: Das Vorgabe-Hauptmaterial-Koordinatensystem orientiert sich an Richtung '1', die auf die Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während Richtung '2' der Kettgarnrichtung und Richtung '3' der Richtung außerhalb der Ebene entspricht. 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. Darüber hinaus können Sie die Ausrichtung des Material-Koordinatensystems ändern, sodass Richtung '3' auf die Schussgarnrichtung ausgerichtet ist, während Richtung '2' der Kettgarnrichtung entspricht.

5. PFA : Das 5. Argument aktiviert bzw. deaktiviert die Funktion für die progressive Schadensanalyse. Wenn die Funktion für progressives Versagen aktiviert ist, bewertet Helius PFA routinemäßig sowohl das Matrix- als auch das Faserausfallkriterium, um festzulegen, ob eines der beiden Konstituentenmaterialien versagt hat. Jedes einzelne Ausfallkriterium basiert auf dem durchschnittlichen Spannungszustand der entsprechenden Konstituente. Für den Fall, dass ein oder beide Konstituenten versagen, werden die Steifheiten der versagten Konstituenten und die Steifheiten des Verbundwerkstoffs angemessen für die entsprechenden Steifheiten nach Ausfall reduziert.

   • Unidirektionale Mikrostrukturen: Der Wert 1 aktiviert die Funktion für progressive Schadensanalyse, während der Wert 0 die Funktion für progressive Schadensanalyse deaktiviert.
   • Gewebte Mikrostrukturen: Der Wert 0 deaktiviert die Funktion für die progressive Schadensanalyse. Durch den Wert 1 wird die Funktion für progressive Schäden aktiviert; außerdem werden die Matrix- und Faserdegradationsebenen aus der Materialdatendatei zur Berechnung der Eigenschaften des ausgefallenen Materials verwendet. Durch den Wert 2 wird die Funktion für progressives Versagen aktiviert; außerdem werden die durch die Argumente 14 und 15 angegebenen Matrix- und Faserdegradationsniveaus verwendet, um die Eigenschaften für ausgefallene Materialien zu berechnen. Durch Auswahl des Werts 2 für normale Gewebe werden ca. 45 bis 60 Sekunden zur Vorverarbeitungszeit pro gewebtem Material hinzugefügt. Für Atlasbindungen kann dies auf 30 bis 60 Minuten pro Material ansteigen. Durch den Wert 1 wird keine Laufzeit während der Vorverarbeitung hinzugefügt, da die Eigenschaften von ausgefallenen Materialien (bei den während der Materialerstellung in Composite Material Manager angegebenen Matrix- und Faserdegradationsniveaus) bereits in der Materialdatei gespeichert sind.

6. PREFAIL (optional): Das 6. Argument aktiviert oder deaktiviert die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall. Durch den Wert 1 wird die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall aktiviert, während der Vorgabewert 0 die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall deaktiviert. Wenn die Funktion für die Nichtlinearität vor Ausfall aktiviert ist, berücksichtigt Helius PFA explizit die nichtlineare Längsscherspannungs-/-dehnungsreaktion, die typischerweise bei unidirektionalen faserverstärkten Verbundmaterialien beobachtet wird. Die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall erlegt der Längsschubsteifheit des Matrixkonstituentenmaterials eine Reihe von separaten Reduktionen auf, sodass die nichtlineare Längsscherreaktion des Verbundmaterials weitgehend mit den experimentell gemessenen Daten übereinstimmt. Es sollte betont werden, dass sich die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall nur auf die Längsschermodule des Verbundwerkstoffs auswirkt (d. h. gegenüber und gegenüber ), während die Reaktionen der vier anderen Verbundspannungs- und -dehnungskomponenten durch diese Funktion nicht betroffen sind. Außerdem verändert die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall nicht das Scherspannungsniveau, bei dem der Verbundwerkstoff ausfällt. Sie bewirkt jedoch eine Gesamtzunahme der Längsschubverformung des Verbundwerkstoffs vor Ausfall.

   Anmerkung: Die Funktion für Nichtlinearität vor Ausfall ist nur für Verbundwerkstoffe verfügbar, bei denen eine Spannungs-/Dehnungskurve für den Längsschub während des MCT-Materialcharakterisierungsvorgangs angegeben wurde. Wenn diese Funktion für ein Verbundmaterial angefordert wird, das ohne eine Längsscherspannungs-/-dehnungskurve charakterisiert wird, wird während der Laufzeit eine Fehlermeldung ausgegeben, und die Ausführung wird angehalten. Weitere Informationen zur Verwendung von gemessenen Längsscherdaten während des Materialcharakterisierungsvorgangs finden Sie im Benutzerhandbuch zum Material-Manager.

7. Argument 7 wird nicht verwendet.

8. PRESS (optional, nur für unidirektionale Verbundwerkstoffe): Das 8. Argument aktiviert bzw. deaktiviert die Funktion für die hydrostatische Verstärkung. Durch den Wert 1 wird die Funktion für die hydrostatische Verstärkung aktiviert, während durch den Wert 0 diese Funktion deaktiviert wird. Wenn die Funktion der hydrostatischen Verstärkung aktiviert ist, berücksichtigt Helius PFA explizit die experimentell beobachtete Verstärkung des Verbundwerkstoffs bei Anwesenheit einer hydrostatischen Druckspannung. Wenn die hydrostatische Druckspannung in der Matrixkonstituente den Grenzwert überschreitet, wird die Stärke der Matrix- und Faserkonstituenten proportional zum Niveau der hydrostatischen Druckspannung in der Matrixkonstituente nach oben skaliert.

   Anmerkung: Die Funktion für die hydrostatische Verstärkung ist nur für unidirektionale Verbundmaterialien verfügbar. Diese Funktion wird durch gewebte Verbundwerkstoffe ignoriert.

9. TEMP : Das 9. Argument wird verwendet, um den Temperaturwert zur Umgebung in der Materialdatendatei (mdata-Datei) anzugeben, der bei der Analyse verwendet werden soll. Wenn die mdata-Datei beispielsweise Umgebungen enthält, die bei 600, 650 und 700 R charakterisiert werden, und der Wert des 9. Arguments 650 beträgt, werden die bei 650 R gespeicherten Eigenschaften bei der Analyse verwendet. Der Temperaturwert wird zusammen mit der Feuchtigkeitsmarkierung (Argument 16) verwendet, um die in der Analyse zu verwendende Umgebung vollständig anzugeben. Wenn die mdata-Datei einen einzelnen Satz Eigenschaften enthält, kann das 9. Argument leer gelassen werden.

   Wenn der Wert des 9. Arguments auf -1.0 gesetzt ist, wird die Funktion für Temperaturabhängigkeit aktiviert. Wenn die Temperaturabhängigkeit aktiviert ist, interpoliert Helius PFA linear die Verbundwerkstoff- und Konstituenteneigenschaften für jede festgelegte Temperatur, die innerhalb der Grenzen der in der Materialdatei gespeicherten niedrigsten und höchsten Temperaturwerte liegt. Bei der niedrigsten Temperaturangabe gespeicherte Materialeigenschaften werden für Temperaturen unter der niedrigsten gespeicherten Temperaturangabe verwendet (die Software extrapoliert keine Eigenschaften über die begrenzenden gespeicherten Temperaturdatenpunkte hinaus). Das gleiche gilt für Temperaturen über der höchsten gespeicherten Temperaturangabe. Weitere Informationen zur Verwendung von temperaturabhängigen Materialeigenschaften finden Sie im Theoriehandbuch.

10. FAIL_CRITERION : Das 10. Argument gibt das Kriterium an, das zur Auswertung des Ausfallbeginns im Verbundmaterial verwendet werden soll. Bei unidirektionalen Verbundmaterialien gelten folgende Werte:

    -1. Benutzer

    0. MCT

    1. Max. Spannung

    2. Max. Dehnung

    3. Tsai-Hill

    4. Tsai-Wu

    5. Christensen

    6. Hashin

    7. Puck

    8. LaRC02

    Gewebte Verbundmaterialien können folgende Werte als Kriteriumsmarkierung verwenden:

    -1. Benutzer

    0. MCT

    1. Max. Spannung

    2. Max. Dehnung

11. AUX1 : Das 11. Argument gibt Parameter für einige der Zusatzausfallkriterien an. Wenn Tsai-Wu ausgewählt ist, steht diese Konstante für den Kreuzproduktterm f*. Wenn Hashin ausgewählt ist, stellt diese Konstante den Beitrag der Längsscherspannung zum Faserausfallkriterium α dar.

12. AUX2 : Das 12. Argument gibt Parameter für einige der Zusatzausfallkriterien an. Wenn Tsai-Wu ausgewählt ist, steht diese Konstante für die optionale Äquibiaxialspannung bei Versagen (σ11 kombiniert mit σ22). Dieser Wert kann auf null stehen bleiben, wenn er unbekannt ist.

13. Argument 13 wird nicht verwendet.

14. MDEG : Das 14. Argument ist ein Anteil, der zur Definition der beschädigten E-Module der Matrixkonstituente nach Eintritt eines Matrixkonstituentenversagens verwendet wird. 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 ( , , , , , ) auf 10 % der ursprünglichen unbeschädigten Matrixkonstituentenmodule reduziert werden. Der Wert für die Matrixsteifheit nach Ausfall muss größer als 0 und kleiner oder gleich 1 sein. Wenn das 14. Argument nicht angegeben ist, wird der Vorgabewert 0.1 angenommen.

15. FDEG : Das 15. Argument ist ein Anteil, der zur Definition der beschädigten E-Module der Faserkonstituente nach Eintritt eines Faserkonstituentenversagens verwendet wird. 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 ( , , , , , ) auf 1 % der ursprünglichen unbeschädigten Faserkonstituentenmodule reduziert werden. Der Wert für die Fasersteifheit nach Ausfall muss größer als 0 und kleiner oder gleich 1 sein. Wenn das 15. Argument nicht angegeben ist, wird der Vorgabewert 1E-06 angenommen.

16. MOISTURE : Das 16. Argument gibt die Feuchtigkeitsmarkierung zur Umgebung in der Materialdatendatei (mdata-Datei) an, die bei der Analyse verwendet werden soll. Setzen Sie dieses Argument für Umgebungsfeuchtigkeitsbedingungen auf 0, für trockene Feuchtigkeitsbedingungen auf 1 und für nasse Feuchtigkeitsbedingungen auf 2. Wenn die mdata-Datei beispielsweise Umgebungen enthält, die von Umgebungs-, nassen und trockenen Feuchtigkeitsbedingungen charakterisiert sind, und der Wert des 16. Arguments auf 1 gesetzt ist, werden die Eigenschaften für die trockenen Feuchtigkeitsgehalte bei der Analyse verwendet. Die Feuchtigkeitsmarkierung und der Temperaturwert (Argument 9) werden verwendet, um die in der Analyse zu verwendende Umgebung vollständig anzugeben. Wenn die mdata-Datei einen einzelnen Satz Eigenschaften enthält, kann das 16. Argument leer gelassen werden.