Verwenden Sie ein Last-Verschiebungs-Diagramm, um zu bestimmen, wann ein globaler Ausfall auftritt.

Im vorherigen Abschnitt haben wir Konturendiagramme verwendet, um die Verteilung der PFA-Schadenszustände innerhalb einer Verbundstruktur zu untersuchen. In der Abbildung dieser Konturendiagramme kann man erkennen, dass jeder beschädigte Bereich Materialien darstellt, deren Steifheit erheblich verringert wurde. Außerdem kann durch Untersuchen der Änderungen, die im Laufe der Zeit in diesen Konturendiagrammen auftreten, die Kaskade von lokalisiertem Materialausfall deutlich gesehen werden, die während einer progressiven Schadensanalyse auftritt. Allerdings gibt die Verteilung des Materialversagens keinen Hinweis zur Gesamtauswirkung des Materialversagens auf die globale Steifheit der Struktur. Außerdem ist es unmöglich, globales Strukturversagen durch einfaches Untersuchen der Verteilung des Materialversagens über die Struktur zu erkennen.

Um ein globales Strukturversagen zu erkennen oder um eine bestimmte Schadensverteilung einer Verringerung der gesamten Steifheit zuzuordnen, muss man zunächst die Beziehung zwischen der globalen Strukturkraft und der globalen Strukturverformung untersuchen. Dieser Beziehungstyp wird am besten mithilfe eines einfachen 2D-Diagramms aus Kraft im Vergleich zur Verformung untersucht. Der entscheidende Punkt ist jedoch die Auswahl eines geeigneten Maßes für die globale Strukturkraft und die globale Strukturverformung.

Nehmen Sie als Beispiel die unten gezeigte 8-lagige Verbundplatte. Beachten Sie, dass es sich um dasselbe Verbundplattenproblem handelt, das im vorherigen Abschnitt untersucht wurde. Da diese Verbundplatte einer gleichmäßigen axialen Verschiebung entlang der oberen Kante der Platte unterzogen wird, dient die Verschiebung als ein geeignetes Maß für die gesamte Strukturverformung der Platte. In ähnlicher Weise dient die gesamte axiale Reaktionskraft entlang der oberen Kante der Platte als entsprechendes Maß für die globale Strukturkraft in der Platte. Diese gesamte Reaktionskraft wird erzielt, indem man die Reaktionskräfte für alle Knoten auf der oberen Kante der Platte zusammenfasst (Weitere Informationen finden Sie in der zweiten Abbildung unten). Die dritte Abbildung zeigt ein Diagramm der globalen Strukturkraft und globalen Strukturverformung für die Verbundplatte.

Beginnend mit einer erzwungenen Verschiebung von 0.13 verschlechtert sich die Gesamtsekantensteifheit sehr schnell. Wenn die axiale Verschiebung weiter erhöht wird, kann die Struktur der zusätzlichen Verschiebung nicht mithilfe von zusätzlicher Strukturkraft standhalten.

Eine Untersuchung des Last-Ablenkungs-Diagramms zeigt, dass die globale Kraft-/Verschiebungsreaktion der Verbundstruktur linear bleibt, bis die erzwungene Verschiebung einen Wert von ca. 0.095 erreicht. Beim Untersuchen von Teil C der Konturendiagramme im vorherigen Abschnitt kann interessanterweise festgestellt werden, dass die Verbundplatte zu dem Zeitpunkt, zu dem die erzwungene axiale Verschiebung den Wert 0.08 erreicht hat, einen beträchtlichen Matrixkonstituentenausfall entlang der vertikalen Kanten der kreisförmigen Bohrung akkumuliert hat. Die Größe des Matrixkonstituentenausfalls ist jedoch nicht ausreichend für visuell erkennbare Auswirkungen auf die globale Steifheit der Verbundplatte. Wenn die erzwungene Verschiebung von 0.095 auf ca. 0.13 erhöht wird, erfährt die globale Steifheit der Verbundplatte eine erkennbare Verringerung im obigen Lastverschiebungsdiagramm. Die Struktur kann jedoch immer noch auf die erhöhte Verschiebung mit einer erhöhten Strukturkraft reagieren.

Beim Untersuchen von Teil D der Konturendiagramme im vorherigen Abschnitt wird ersichtlich, dass die Verbundplatte bei einer erzwungenen Verschiebung von 0.112 einen geringfügigen Faserkonstituentenausfall entlang der vertikalen Kanten der kreisförmigen Bohrung aufweist. Beachten Sie, dass dieser lokalisierte Faserkonstituentenausfall noch nicht verhindert hat, dass die Verbundplatte auf die erhöhte Verschiebung mit verstärkter Strukturkraft reagiert. Wenn die erzwungene Verschiebung ca. 0.133 erreicht, weist die globale Steifheit der Verbundplatte eine spürbare Reduktion auf und weist so auf eine erhebliche Überlappung der lokalisierten Faserkonstituentenausfälle hin (d. h., ein größeres Ausfallereignis ist aufgetreten). Wenn die erzwungene Verschiebung auf einen Wert über 0.133 erhöht wird, reagiert die Verbundplatte nicht mehr mit erhöhter Strukturkraft auf die zunehmende Verschiebung. Stattdessen bleibt die gesamte Strukturkraft in der Verbundplatte relativ konstant, was bedeutet, dass die Ausbreitung der lokalisierten Ausfälle zu schnell erfolgt, um zusätzliche Strukturkraft zu erzeugen. Wie man jedoch bereits an den zwei gestrichelten Linien im Lastverschiebungsdiagramm oben gesehen hat, verringert sich die gesamte Sekantensteifheit der Verbundplatte weiter, obwohl die gesamte Strukturkraft relativ konstant bleibt.

Es gibt viele Möglichkeiten zum Definieren von globalem Strukturversagen. Welcher Punkt genau ein globales Strukturversagen signalisiert, hängt vom Verwendungszweck der Verbundplatte ab. Hier sollte hervorgehoben werden, dass zum Erkennen eines globalen Strukturausfalls eine Untersuchung der globalen Strukturkraft im Vergleich zur globalen Strukturverformung erforderlich ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie mit Konturendiagrammen von PFA-Schadenszuständen ein klares Bild über das Ausmaß des lokalisierten Ausfalls zu einem bestimmten Zeitpunkt erhalten. Um die Schadensverteilungen mit der verringerten gesamten Steifheit der Verbundstruktur in Beziehung zu setzen, müssen Sie die Diagramme von globaler Strukturkraft und globaler Strukturverformung untersuchen. Auf diese Weise können Sie beobachtete Änderungen bei der globalen Steifheit der Struktur mit bestimmten Schadensverteilungen in Verbindung bringen.