Helius PFA の GUI を使用してユーザ定義材料を作成する

Helius PFA の GUI を使用して、複合材料を選択します。

Helius PFA によって処理される各複合材料は、ANSYSでユーザ定義材料とみなされます。この GUI を使用して、ANSYS 入力ファイルでこれらの複合材料の定義を簡単に作成できます。材料データベースから複合材料を選択して、その複合材料に使用するマルチスケール構成関係の多様なオプションを選択できます。この GUI は、モデル作成プリプロセッサ(/PREP7)からのみアクセスできます。

ANSYS Mechanical APDL で、この GUI を開くには、ANSYS ツールバーに移動し、[HELIUS]ボタンをクリックします。下図はこのボタンの位置を示しています。

[複合材料を作成]ボタンをクリックすると、下図のように GUI が表示されます。

上記のとおり、この GUI を使用して Helius PFA の複合材料タイプを定義するには、いくつかの手順があります。各手順について次に説明します。

1. 複合材料の選択: Helius PFA マテリアル ライブラリから複合材料を選択します。マテリアル ライブラリに、解析で使用する複合材料が含まれていない場合は、まず材料データ ファイルを作成してマテリアル ライブラリに追加する必要があります(『Material Manager ユーザ ガイド』を参照してください)。複合材料を選択すると、その材料の工学定数が、[選択した複合材料の工学定数]というラベルのボックスに表示されます。これらの定数は、この製品の既定の単位系(N/m/K)で表示されます。これらの定数を異なる座標系で表示するために、異なる単位系を選択することもできます。

2. 材料 ID: ANSYS では名前の代わりに ID を使用して材料を識別するため、材料データベースに格納されている各材料には ID が割り当てられています。 選択した材料の特定の材料 ID が Helius PFA の GUI に表示され、残りのモデル作成プロセスで参照できます。

3. 環境: 選択した材料に複数の環境(温度と含水率の組み合わせ)に対する材料特性が含まれている場合、このリストから解析で使用する環境を選択します。 環境を選択すると、その環境の材料特性が GUI に表示されます。

4. 単位系: 構成関係と応力の計算に使用するべき単位系を選択します。Helius PFA は、既定で(N/m/K)単位系で構成関係を示し、応力を計算します。モデルが異なる単位系を使用して作成されている場合、Helius PFA では構成計算をその有限要素モデルに必要な単位系に変換する必要があります。その目的で、この製品には一般的に使用される 4 つの単位系(N/m/K、N/mm/K、lb/in/R、lb/ft/R)用の変換係数が含まれています。有限要素モデルがこれらの 4 つの単位系のいずれかを使用している場合、ドロップダウン リストから適切な単位系を選択する必要があります。モデルの単位系がドロップダウン リストに表示されない場合は、既定の単位系 N/m/K を選択した上で、HIN ファイルを使用したカスタム単位系の定義方法の詳細について、「HIN ファイル」セクションを参照してください。

5. 主要材料座標系: Helius PFA では、複合材料の主要材料座標系で構成関係を示し、応力を計算します。ここでは、複合材料の主要材料座標系で使用可能な 2 つまたは 3 つの方向のうち、1 つを選択します。

   一方向ミクロ構造: 既定の主要材料座標系は、繊維方向と一致する '1' 方向に設定され、'2'、'3' 方向は横等方性の材料平面内に配置されます。この主要材料座標系の既定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "1" の選択に対応します。しかし、モデル作成プロセスに利便性を加えてシンプルにする目的で、'2' 方向を繊維方向に一致させ、'1'、'3' 方向が横等方性の材料平面内に配置されるように、主要材料座標系の方向を変更することができます。この主要材料座標系の特定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "2" の選択に対応します。ドロップダウン リストから値 2 を選択すると、GUI では[選択した複合材料の工学定数]というラベルの表示ボックスの内容が更新されます。

   織物ミクロ構造: 既定の主要材料座標系は充填けん引方向と一致する '1' 方向に設定され、'2' 方向は反りけん引方向に対応し、'3' 方向 は面外方向に対応しています。この主要材料座標系の既定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "1" の選択に対応します。しかし、モデル作成プロセスに利便性を加えてシンプルにする目的で、'2' 方向を充填けん引方向に一致させ、'1' 方向を反りけん引に対応するように、主要材料座標系の方向を変更することができます。この主要材料座標系の特定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "2" の選択に対応します。さらに、'3' 方向を充填けん引方向に一致させ、'2' 方向を反りけん引に対応するように、主要材料座標系の方向を変更することができます。この主要材料座標系の特定の方向は、繊維方向のドロップダウン メニューからの "3" の選択に対応します。

6. 進行性破損解析: 進行性破損解析を実行するかどうかを選択します。このチェックボックスをオンにすると、Helius PFA は定期的に母材と繊維の破損基準の両方を評価し、これらの構成が破損していないかを判断します。各構成の破損基準は、対応する構成の平均応力状態に基づいています。構成の一方または両方が破損した場合、破損した構成の剛性および複合材料の剛性は、瞬間的に適切な剛性にまで低減されます。破損した構成の瞬間的な剛性低減は、効果的に構成および複合材料の非連続的な区分線形応力/ひずみ応答という結果になることに留意してください。ただし、このタイプの個別の材料応答が、大規模な有限要素モデルの各積分点で個別に適用された場合、最終結果は複合材料構造全体の剛性の段階的な(または進行性)劣化となります(このため、進行性破壊解析と呼ばれます)。

   このオプションをオフにすると、破損が破損基準によって予測された場合も、要素の剛性は解析全体で一定に維持されます。このような解析は一般に線形解析と呼ばれます。

7. 破損した織物複合材特性を計算する: このオプションをオンにすると、Helius PFA では、上図の手順 9 と 10 で指定された母材と繊維の劣化レベルを使用して、破損した織物複合材特性を計算します。このオプションをオンにしない場合は、Composite Material Manager を使用して材料データ ファイルが作成されたときに計算された、破損した材料特性が使用されます。たとえば、材料の作成時の(Composite Material Manager を使用)母材劣化値が 0.7 で、繊維劣化値が 0.015 のときにこのオプションをオンにしていない場合は、0.7 の母材劣化値と 0.015 の繊維劣化値に対応する破損した材料特性が使用されます。逆に、このオプションをオンにして、上図の手順 9 と 10 で 0.8 の母材劣化値と 0.001 の繊維劣化値を指定すると、0.8 の母材劣化値と 0.001 の繊維劣化値に対応する破損した材料特性が使用されます。

8. 破損基準を選択する: 選択した材料に使用する破損基準を選択します。選択した基準は、破損の開始のみに適用され、損傷の進展には適用されません。一方向複合材料で使用可能なオプションは、次のとおりです。

   • ユーザ(『操作ガイド』を参照してください)
   • MCT (既定)
   • 最大応力
   • 最大ひずみ
   • Tsai-Hill
   • Tsai-Wu
   • Christensen
   • Hashin
   • Puck
   • LaRC02

   平織物複合材料で使用可能なオプションは、次のとおりです。

   • ユーザ(Helius PFA のユーザ サブルーチンのマニュアルを参照してください)
   • MCT (既定)
   • 最大応力
   • 最大ひずみ

   各基準に関する技術的な情報については、『理論マニュアル』を参照してください。

   [パラメータ]は、選択した基準に指定する必要がある追加のパラメータがある場合に使用可能になります。このボタンをクリックすると、新しいウィンドウが表示され、選択した基準に必要なパラメータを定義できます。各基準に対して定義が必要なパラメータは、次のとおりです。

   • MCT

     • 圧力誘起強度強化(一方向複合材料のみ): 実験で観察される静水圧縮応力の存在による複合材料の強化を考慮するかどうかを選択します。このチェックボックスをオンにすると、Helius PFA では、母材構成の静水圧縮応力レベルを監視します。母材構成の静水圧縮応力レベルがしきい値を超えている場合は、母材構成と繊維構成両方の強度は、母材構成内の静水圧縮応力レベルに等しいレベルまで増加されます。

     • 破損前非線形性: 通常、繊維強化複合材料に発生する非線形縦方向のせん断応力/ひずみ応答を考慮するかどうかを選択します。このチェック ボックスをオンにすると、Helius PFA は縦方向せん断応力/ひずみ応答の 4 セグメント(一方向)または 7 セグメント(織物)の区分線形表現を使用します(つまり、 対 および 対 )。その他の 4 つの応力およびひずみ成分応答は、この機能の影響を受けません。複合材料の縦方向せん断弾性率の一連の個別の低減はすべて、区分線形の縦方向せん断応答が実験測定の縦方向せん断データと密接に一致するように実施されます。

       この機能は、MCT 材料特性指定プロセスで縦方向せん断応力/ひずみ曲線が指定されている複合材料のみで使用可能であることに留意してください。この機能が、縦方向せん断応力/ひずみ曲線が指定されていない一方向複合材料で要求された場合、ランタイムでエラー メッセージが発行され、実行が停止されます。破損前非線形性機能を備えた新しい複合材料の特性指定の詳細については、『Material Manager ユーザ ガイド』を参照してください。

   • Tsai-Wu

     • f*: 外積項。この値の範囲は 0.5 ≤ f* ≤ 0.0 である必要があり、σbiax がゼロの場合にのみ使用されます。
     • σbiax : 破損時の等二軸応力。不明な場合は、この値はゼロにしておくことができます。

   • Hashin

     • α: 縦方向せん断から繊維破損基準への寄与量を指定します。この値の範囲は 0.0 ≤ α = 1.0 である必要があります。

9. 母材破損後剛性: この値は、母材構成の破損発生後の母材構成の損傷したヤング率の定義に使用される割合です。具体的には、この値は破損した母材構成係数と破損していない母材構成係数との比率です。0.1 の値は、積分点で母材破損が発生した後、6 つの母材構成係数(、、、、、)が、すべて元の損傷していない母材構成係数の 10% にまで低減することを意味します。母材破損後剛性値は 0 (ゼロ)より大きく、1 以下である必要があります。

10. 繊維破損後剛性: この値は、繊維構成の破損発生後の繊維構成の損傷したヤング率の定義に使用される割合です。具体的には、この値は破損した繊維構成係数と破損していない繊維構成係数との比率です。0.01 の値は、積分点で繊維破損が発生した後、6 つの繊維構成係数(、、、、、)が、すべて元の損傷していない繊維構成係数の 1% にまで低減することを意味します。繊維破損後剛性値は 0 (ゼロ)より大きく、1 以下である必要があります。

11. 出力構成の平均応力/ひずみ状態: 繊維の平均応力とひずみ場、および母材の平均応力とひずみ場を結果ファイルに出力するかどうかを選択します。一方向複合材料で、このチェックボックスをオンにすると、結果ファイルに出力される MCT 状態変数の数が 7 から 35 に増加します。織物複合材料で、このチェックボックスをオンにすると、結果ファイルに出力される MCT 状態変数の数が 7 から 91 に増加します。これらの追加の状態変数の出力により、合計実行時間は若干増加し、結果ファイルのサイズが大幅に大きくなります。したがって、このオプションは、構成の平均応力とひずみ状態が重要である場合にのみ選択されるべきです。

上記の手順が完了したら、Helius PFA の GUI の[OK]ボタンをクリックして、ユーザ定義の複合材料を作成します。[OK]ボタンをクリックすると、適切な ANSYS コマンドが作成され、新しいユーザ定義の複合材料に対して実行されます。新しく作成された ANSYS コマンド(HELIUS)は、ANSYS ログ ファイルで表示できます。