Definieren eines Helius-PFA-Verbundmaterials

Verwenden Sie den MATPFA-Eintrag zum Definieren der Verbundmaterialreaktion.

MATPFA-Felder

Anhang A enthält eine detaillierte Beschreibung der einzelnen MATPFA-Felder, einschließlich des Bereichs der zulässigen Werte für jedes Feld und der Auswirkungen, die das jeweilige Feld auf die zur Materialdarstellung verwendeten Multiscale-Konstitutivbeziehungen hat. Eine kurze Beschreibung der einzelnen MATPFA-Felder finden Sie weiter unten.

1. Material-ID (MID): Die generische Materialidentifizierungsnummer für den MATPFA-Materialeintrag. Diese Nummer wird in den Eigenschaftsdefinitionen zum Verknüpfen der Eigenschaft mit dem entsprechenden Material aufgerufen.

2. Helius-PFA-Material-ID (MIDH ): Die Helius-PFA-Materialidentifikationsnummer in der Datei HPFAMatDB.xml im Materialverzeichnis. In Anhang A.2 finden Sie weitere Informationen zur Helius-PFA-Material-ID.

3. Hauptmaterial-Koordinatensystem (PDIR): Helius PFA drückt die Konstitutivbeziehungen aus und berechnet Spannungen im Hauptmaterial-Koordinatensystem des Verbundmaterials. Das Feld PDIR gibt die spezifische Ausrichtung des verwendeten Hauptmaterial-Koordinatensystems an.

   • Unidirektionale Mikrostrukturen: Das vorgegebene Hauptmaterial-Koordinatensystem ist ausgerichtet mit der Richtung '1', die an der Faserrichtung ausgerichtet ist, während die Richtungen '2' und '3' in der Materialebene der Querisotropie liegen. Diese Vorgabeausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems wird durch Festlegen des Felds PDIR auf den Wert 1 ausgewählt. 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 Querisotropie des Verbundmaterials liegen. Diese Alternativausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems wird durch Festlegen des Felds PDIR auf den Wert 2 ausgewählt. Im Allgemeinen kennzeichnet der numerische Wert des Felds PDIR die spezifische Hauptmaterialachse, die auf die Faserrichtung ausgerichtet ist.
   • Gewebte Mikrostrukturen: Das vorgegebene 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. Diese Vorgabeausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems wird durch Festlegen des Felds PDIR auf den Wert 1 ausgewählt. 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 Alternativausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems wird durch Festlegen des Felds PDIR auf den Wert 2 ausgewählt. 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 spezielle Ausrichtung des Hauptmaterial-Koordinatensystems wird durch Festlegen des Felds PDIR auf den Wert 3 ausgewählt. In der Regel kennzeichnet der numerische Wert der zweiten Benutzermaterialkonstante die spezifische Hauptmaterialachse, die an der Schussgarnrichtung ausgerichtet ist.

4. Fehlertheorie (FT): Das Feld FT ist die Fehlertheoriemarkierung. Die Fehlertheoriemarkierung gibt das Kriterium an, das zur Auswertung des Ausfallbeginns im Verbundmaterial verwendet wird. Der Vorgabewert ist MCT. Andere gültige Optionen sind:

   • STRESS – Max. Spannung
   • STRAIN – Max. Dehnung
   • HILL (nur unidirektional) – Tsai-Hill
   • TSAI (nur unidirektional) – Tsai-Wu
   • CHRIS (nur unidirektional) – Christensen
   • HASH (nur unidirektional) – Hashin
   • PUCK (nur unidirektional) – Puck
   • LaRC02 (nur unidirektional) – LaRC02
   • USER – Benutzerdefiniert

5. Matrixsteifheit nach Ausfall (MPSTIF) / Matrixdegradationsenergie (MDE): Bei Analysen ohne energiebasierte Degradation ist das Feld MPSTIF ein Anteilswert, der zum Definieren der beschädigten Elastizitätsmodule der Matrixkonstituente verwendet wird, nachdem ein Matrixkonstituentenversagen 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 (, , , , , ) 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. Der Steifheitswert der Matrix nach Ausfall ist vorgabemäßig auf 0.1 festgelegt.

   Bei Analysen mit energiebasierter Degradation ist das Feld MDE die vor und nach einem Matrixausfall verbrauchte Gesamtenergie unter Annahme einer linearen Abnahme der Verbundsteifheit nach einem Ausfallereignis. Die Verbundwerkstoffe , , , und werden nach einem Matrixausfallereignis gemäß dieser Energie, dem Spannungszustand des Verbundwerkstoffs bei Faserausfall und dem Volumen des Elements degradiert.

6. Fasersteifheit nach Ausfall (FPSTIF) / Faserzerfall Energie (FDE) – Bei Analysen mit sofortiger Degradation ist das Feld FPSTIF 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 (, , , , , ) 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. Der Vorgabewert der Fasersteifheit nach Ausfall wird automatisch auf 1E-06 gesetzt.

   Bei Analysen mit energiebasierter Degradation ist das Feld FDE die für einen Faserausfall verbrauchte Gesamtenergie unter Annahme einer linearen Degradation der Verbundsteifheit vor und nach einem Faserausfallereignis. Genauer gesagt werden die Verbundmaterialien , und nach einem Faserausfallereignis gemäß dieser Energie, dem Verbundspannungszustand bei Faserversagen und dem Volumen des Elements linear zurückgestuft.

7. Schadensentwicklungsmethode (DEVO): Das Feld DEVO ermöglicht Ihnen, entweder die sofortige oder die energiebasierte Schadensentwicklungsmethode auszuwählen. Durch den Wert INSTANT wird die sofortige Degradation bzw. durch den Wert EBD die energiebasierte Degradation aktiviert.

   • Sofortige Degradation: Wenn die Funktion der sofortigen Degradation aktiviert ist, reduziert Helius PFA die Steifheit der Verbundmodule sofort auf ihre Minimalwerte. 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 diskreten Materialreaktion unabhängig voneinander auf jeden einzelnen Integrationspunkt in einem großen Finite-Element-Modell angewandt wird, ist das Endergebnis eine allmähliche (oder progressive) Degradation der Steifheit der Verbundstruktur (daher der Name Progressive Schadensanalyse).
   • Energiebasierte Degradation (nur unidirektionale Materialien): Wenn die Funktion der energiebasierten Degradation aktiviert ist, reduziert Helius-PFA die Steifheit der Verbundmodule allmählich linear auf den Minimalwert, nachdem ein Ausfallereignis unter Beibehaltung der in den Feldern MDE und FDE angegebenen Energie erkannt wurde. Nach dem Auslösen eines Ausfallkriteriums wird die Verbundwerkstoffsteifheit langsam über eine Reihe diskreter Steifheitsreduktionen reduziert, die angewendet werden, da der Dehnungszustand des Verbundwerkstoffs weiter über das Niveau bei Ausfallbeginn hinaus ansteigt. Die spezifische betroffene Steifheit hängt vollständig von den Konstituentenausfällen ab, die ausgelöst wurden. Diese Funktion ist nur mit dem MCT-Ausfallkriterium und unidirektionalen Materialien kompatibel.

8. Nichtlinearität vor Ausfall (PRENL): Das Feld PRENL aktiviert bzw. deaktiviert die Produktfunktion der Nichtlinearität vor Ausfall. Es ist eine optionale Markierung, die nur für Verbundwerkstoffe verfügbar ist, die das MCT-Ausfallkriterium verwenden. Durch den Wert ON wird die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall aktiviert, während der Vorgabewert OFF diese Funktion deaktiviert. Wenn die Funktion der Nichtlinearität vor Ausfall aktiviert ist, zieht Helius PFA explizit die nichtlineare Spannungs-/Dehnungsreaktion für Längsscherung in Betracht, die in der Regel in 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.

9. Temperatur (TREF): Das Feld TREF wird verwendet, um den Temperaturwert anzugeben, welcher der Umgebung in der Materialdatendatei (mdata-Datei) für die Analyse entspricht. Beispiel: Wenn die MDATA-Datei Umgebungen enthält, die bei 600, 650 und 700 R charakterisiert wurden, und der Wert des Felds TREF 650 ist, dann werden die bei 650 R gespeicherten Eigenschaften in der Analyse verwendet. Der Temperaturwert wird zusammen mit der Feuchtigkeitsmarkierung (Feld MOIST) verwendet, um die in der Analyse zu verwendende Umgebung vollständig anzugeben. Wenn die mdata-Datei einen einzelnen Satz Eigenschaften enthält, kann das Feld TREF leer gelassen werden.

   Wenn der Wert des Felds TREF auf -1.0 gesetzt ist, wird die Funktion für Temperaturabhängigkeit aktiviert. Bei aktivierter Temperaturabhängigkeit interpoliert das Produkt linear die Verbund- und Konstituenteneigenschaften für eine bestimmte Temperatur, die innerhalb der Grenzen des niedrigsten und höchsten Temperaturpunkts in der Materialdatei liegt. Bei Temperaturen unterhalb der niedrigsten gespeicherten Temperaturangabe verwendet Helius PFA die bei der niedrigsten Temperaturangabe gespeicherten Materialeigenschaften (und extrapoliert Eigenschaften nicht über die begrenzenden gespeicherten Temperaturdatenpunkte hinaus). Das gleiche gilt für Temperaturen über der höchsten gespeicherten Temperaturangabe. Weitere Informationen zur Verwendung von temperaturabhängigen Materialeigenschaften in Helius PFA finden Sie im Theoriehandbuch.

10. Feuchtigkeit (MOIST): Das Feld MOIST wird verwendet, um die Feuchtigkeitsmarkierung anzugeben, die der Umgebung in der Materialdatendatei (mdata-Datei) entspricht, die bei der Analyse verwendet werden soll. Die verfügbaren Optionen sind AMBIENT, DRY und WET. Vorgabegemäß ist MOIST auf AMBIENT gesetzt. Beispiel: Wenn die mdata-Datei Umgebungen enthält, für die die Feuchtigkeitsbedingungen AMBIENT, WET und DRY definiert wurden, und der Wert das Felds MOIST auf DRY festgelegt ist, dann werden die Eigenschaften für Feuchtigkeitsgehalt DRY in der Analyse verwendet. Die Feuchtigkeitsmarkierung wird zusammen mit dem Temperaturwert (TREF) verwendet, um die bei der Analyse zu verwendende Umgebung vollständig anzugeben. Wenn die mdata-Datei einen einzelnen Satz Eigenschaften enthält, kann das Feld MOIST leer gelassen werden.

11. Zusätzlicher Kriteriumsparameter 1 (F/ALPHA): Wird verwendet, um Parameter für einige der zusätzlichen Ausfallkriterien anzugeben. Wenn Tsai-Wu ausgewählt ist, stellt diese Konstante den Kreuzproduktterm f* dar. Wenn Hashin ausgewählt ist, stellt diese Konstante den Beitrag der Längsscherspannung zum Faserausfallkriterium α dar.

12. Zusätzlicher Kriteriumsparameter 2 (SBIAX ): Wird verwendet, um die Äquibiaxialspannung bei Ausfall (σ11 und σ22) für die Tsai-Wu-Ausfallkriterien anzugeben. Dieser Wert kann auf null stehen bleiben, wenn er unbekannt ist.

13. Typ der progressiven Versagensanalyse (PFTYPE ): Das Feld PFTYPE aktiviert bzw. deaktiviert die Funktion für progressive Schadensanalyse des Produkts. Wenn die Funktion für progressive Schäden aktiviert ist, reduziert Helius PFA die Elementsteifheit entsprechend der ausgewählten Schadensentwicklungsmethode, wenn das Versagen vom ausgewählten Ausfallkriterium prognostiziert wird. Wenn diese Funktion deaktiviert ist, bleibt die Elementsteifheit während der gesamten Analyse konstant. Dies wird häufig als lineare Analyse bezeichnet.

    • 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 progressive Versagensanalysen aktiviert; außerdem werden die durch die Felder MPSTIF/MDE und FPSTIF/FDE angegebenen Matrix- und Faserdegradationsniveaus verwendet, um die fehlerhaften Eigenschaften des Materials zu berechnen. Durch Auswahl des Werts 2 werden ca. 45 bis 60 Sekunden zur Vorverarbeitungszeit pro gewebtem Material hinzugefügt. Durch den Wert 1 wird keine Laufzeit während der Vorverarbeitung hinzugefügt, da die Eigenschaften des ausgefallenen Materials bereits in der Materialdatei gespeichert sind.

14. Hydrostatische Verstärkung (HYDRO): Das Feld HYDRO ist optional und nur für unidirektionale Verbundwerkstoffe verfügbar, die die MCT-Fehlertheorie verwenden. Aktiviert oder deaktiviert die Produktfunktion der hydrostatischen Verstärkung. Der Wert ON aktiviert die Funktion der hydrostatischen Verstärkung, während der Vorgabewert OFF diese Funktion deaktiviert. 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 einen Grenzwert überschreitet, wird die Stärke sowohl der Matrix- als auch der Faserkonstituente entsprechend dem hydrostatischen Druckspannungsniveau in der Matrixkonstituente nach oben skaliert.