Thermische Restspannungen

Steuern Sie, wie thermische Restspannungen in einer Analyse gehandhabt werden.

Bei Raumtemperatur hat eine unbelastete laminierte Verbundstruktur sowohl auf Verbundlagen- als auch auf Konstituentenmaterialebene bereits selbstausgleichende Spannungen ungleich null. Dies wird durch die anfängliche Abkühlung der Struktur von der erhöhten Aushärtungstemperatur auf Umgebungstemperatur verursacht. Auf Verbundlagenebene werden diese thermischen Restspannungen vollständig durch Unterschiede bei den thermischen Ausdehnungseigenschaften von angrenzenden Lagen verursacht. Auf Konstituentenmaterialebene (Faser/Matrix) werden die thermischen Restspannungen teils von den vorher erwähnten thermischen Restspannungen der Lagenebene und teils von den thermischen Ausdehnungseigenschaften der Faser- und Matrixmaterialien verursacht. Helius PFA kann diese vorhandenen thermischen Restspannungen auf Lagen- und Konstituentenebene explizit berücksichtigen, bevor Lasten oder Temperaturänderungen extern angewandt werden. In diesem Fall tragen die thermischen Restspannungen zum Gesamtspannungszustand des Verbundmaterials bei und beeinflussen so die mechanische Lastebene, bei der das Material versagt. Wenn Sie die Auswirkungen der thermischen Restspannungen bei der Analyse berücksichtigen möchten, muss das folgende Schlüsselwort in der HIN-Datei enthalten sein:

*CURE STRESS

Wenn das Schlüsselwort *CURE STRESS in der HIN-Datei enthalten ist, berücksichtigt Helius PFA explizit thermische Restspannungen bei der Reaktion des unidirektionalen Verbundmaterials. Dazu berechnet es die thermischen Restspannungen auf Lagen- und Konstituentenebene, die durch das Abkühlen nach dem Aushärten von der spannungsfreien Temperatur (also der Aushärtungstemperatur) auf Umgebungstemperatur verursacht werden. In diesem Fall wird die spannungsfreie Temperatur aus der Materialdatendatei (mdata-Datei) ausgelesen, und die Umgebungstemperatur entspricht 72.5 °F, 22,5 °C oder 295.65 K. Wenn diese Funktion aktiviert ist, sind thermische Restspannungen auf Lagen- und Konstituentenebene im Verbundmaterial vorhanden, bevor externe mechanische und/oder thermische Belastungen angewandt werden, die während der tatsächlichen Simulation angelegt werden. Wenn Sie ausgewählt haben, dass thermische Restspannungen bei der Analyse explizit berücksichtigt werden sollen, sollten Sie überprüfen, ob die Materialdatendatei (mdata-Datei) tatsächlich eine definierte spannungsfreie Temperatur enthält; andernfalls wird die spannungsfreie Temperatur vorgabemäßig auf 0° gesetzt, und die prognostizierten thermischen Restspannungen sind falsch.

Wenn das Schlüsselwort CURE STRESS nicht in der HIN-Datei enthalten ist, sind thermische Restspannungen während der Simulation nicht in der Reaktion des betreffenden Verbundmaterials enthalten. In diesem Fall wird die spannungsfreie Temperatur des Verbundmaterials (unabhängig vom verwendeten Einheitensystem) vorgabemäßig auf Tsf = 0° gesetzt, und die in den Konstitutivbeziehungen verwendete Temperaturänderung [*σ** = C(ε - αΔT)] wird einfach als ΔT = T - Tsf = T berechnet. Hier sollten mehrere Punkte hervorgehoben werden:

1. Die spannungsfreie Temperatur Tsf ist vorgabemäßig 0°, auch wenn die Verbundmaterialdatendatei (mdata-Datei) ausdrücklich eine spannungsfreie Temperatur ungleich null definiert.
2. Unabhängig vom verwendeten Einheitensystem im Finite-Element-Modell wird die in den Konstitutivbeziehungen verwendete Temperaturänderung ΔT vollständig durch die aktuelle Temperatur T definiert.
3. Bei Verbundmaterialien, die bei mehreren Temperaturen charakterisiert werden, wird die aktuelle Temperatur T verwendet, um die unterschiedlichen Materialeigenschaften zu interpolieren, die zu den Konstitutivbeziehungen beitragen. Daher ist es empfehlenswert, eine Charakterisierung mit einer einzigen Temperatur (also eine mdata-Datei mit einer einzigen Temperatur) für das besagte Verbundmaterial zu verwenden.

Als Zusammenfassung lässt sich sagen, dass die aktuelle Temperatur T die Konstitutivbeziehungen auf zweierlei Weisen beeinflusst, wenn Sie das Schlüsselwort *CURE STRESS nicht in die HIN-Datei eintragen: 1) Die in den Konstitutivbeziehungen verwendete Temperaturänderung wird einfach zu ΔT =T, und 2) T wird zum Interpolieren der temperaturabhängigen Materialeigenschaften verwendet, die zu den Konstitutivbeziehungen beitragen.

Es sollte betont werden, dass die Vorgabetemperatur in ANSYS 0° beträgt. Diese Vorgabetemperatur ist vollständig kompatibel zur vorgabemäßigen spannungsfreien Temperatur von 0°, die angenommen wird, wenn das neunte Benutzerargument mit 0 angegeben wird. In diesem Fall kann das Modell weiterhin Temperaturänderungen unterliegen, indem einfach eine andere Temperatur mit 0° angegeben wird. Diese thermischen Spannungen entstehen erst im Verlauf der Analyse und sind zu Beginn der Analyse noch nicht vorhanden.

Aushärtungsverhältnis

Wenn das Schlüsselwort * CURE STRESS in der HIN-Datei verwendet wird, wird ein Standardwert von 0.5 für das Aushärtungsverhältnis (Rc) verwendet, das in der Berechnung der Temperaturänderung auftaucht (siehe Gleichung 33a im Abschnitt Thermische Restspannungen des Theoriehandbuchs). Dieser Vorgabewert stimmt mit der Untersuchung überein und wird im Theoriehandbuch (weitere Informationen in Referenz 13 des Theoriehandbuchs) beschrieben. Um die Vorgabewerte des Aushärtungsverhältniswerts zu überschreiben, können Sie Rc mit dem optionalen Parameter RATIO angeben.

*CURE STRESS, [RATIO=Rc]

Betrachten Sie das folgende Beispiel:

*CURE STRESS, RATIO=0.7

In diesem Beispiel wird das Aushärtungsverhältnis verwendet, um zu bestimmen, dass die Temperaturänderung auf 0.7 festgelegt wird. Dieser Wert gilt für alle in der Analyse verwendeten Materialien. Das Aushärtungsverhältnis muss im Bereich 0 < RATIO ≤ 1 liegen.

Angegebene Umgebung

Das Schlüsselwort *CURE STRESS bestimmt vorgabegemäß die thermischen Restspannungen mithilfe der aktuellen Temperatur und des aktuellen Feuchtigkeitsgehalts. In Wirklichkeit sind diese thermischen Restspannungen eine Funktion der Temperaturänderung von der Aushärtungstemperatur zur Umgebungstemperatur und jeder potentiellen Änderung von der Umgebungstemperatur zur Testtemperatur. Um diese unterschiedlichen Temperaturänderungen zu berücksichtigen, können Sie die optionalen Parameter mit dem Schlüsselwort *CURE STRESS verwenden:

*CURE STRESS, [METHOD=SPECIFY ENV], [TEMPERATURE=TAMB]
RCA, RCB

wobei die Parameter in den eckigen Klammern [ ] optional sind. Bei METHOD=SPECIFY ENV können Sie die Materialeigenschaftsumgebung angeben, in der die thermischen Restspannungen berechnet werden. TAMB definiert die Temperaturumgebung für die in Gleichung 32 des Abschnitts Thermische Restspannungen im Theoriehandbuch verwendeten Materialeigenschaften. RcA und RcC sind vorgabemäßig auf 0.5 gesetzt.

Wenn METHOD=SPECIFY ENV nicht verwendet wird, wird das Standardverhalten von METHOD=CURRENT ENV verwendet. In diesem Fall werden die aktuelle Feuchtigkeit und Temperatur verwendet, um den Satz an Materialeigenschaften für die Berechnung der thermischen Restspannungen zu bestimmen.

Eine umfassende theoretische Erläuterung der thermischen Restspannungen finden Sie im Theoriehandbuch. Eine Vorführung dieser Funktion finden Sie unter Beispielproblem 2.