Materiaaldata¶

In FrontISTR is ’n "materiaal" ’n benoemde eenheid waarmee die materiaal-eienskapdata wat aan elemente toegewys is as ’n groep bestuur word. Dit groepeer spesifiek eienskapswaardes soos elastiese konstantes, digtheid en termiese geleidingsvermoë, asook parameters van konstitutiewe wette vir elastoplastisiteit, visko-elastisiteit, kruip en soortgelyke modelle onder een naam. Toewysing aan elementgroepe word met !SECTION gedoen, wat ’n elementtipe (solied, skulp, koppelvlak, ens.) met ’n materiaalnaam assosieer. Die materiaalinhoud self word óf met !MATERIAL in die maasdata óf met ’n !MATERIAL-blok in die analisebeheerdata gedefinieer.

Beperkings op materiaaldata word deur drie faktore bepaal: die analisetipe, die elementtipe en hoe die materiaal in die invoerlêers gespesifiseer word. Die volgende afdelings som eers die verband tussen beskikbare materiaalmodelle, elementtipes en analisetipes op (Oorsig van funksies), verduidelik daarna hoe om tussen materiaalmodelle te kies (Keuse van ’n materiaalmodel), en beskryf ten slotte die spesifikasies van elke model (Lineêre elastisiteit en daaropvolgende afdelings). Sien die sleutelwoordverwysing vir die sintaksis en verstekwaardes van individuele sleutelwoorde.

Oorsig van funksies¶

Materiaaldata kan breedweg verdeel word in meganiese materiaalmodelle wat in strukturele analise gebruik word en termiese eienskappe wat in warmtegeleidings- en termiese-spanningsanalises gebruik word. Kies in strukturele analise lineêre elastisiteit, hiperelastisiteit, elastoplastisiteit, visko-elastisiteit, kruip of ’n gebruiker-gedefinieerde materiaal volgens die toepassing. Elkeen is ’n onafhanklike konstitutiewe wet; elastoplastiese, visko-elastiese en kruipmodelle gebruik lineêre elastisiteit in dieselfde materiaal vir die elastiese deel (hiperelastisiteit gebruik sy eie rekenergiefunksie en verwys dus nie na lineêr-elastiese styfheid nie). In warmtegeleidingsanalise word digtheid, spesifieke warmte en termiese geleidingsvermoë aan elemente toegewys.

As ’n materiaal met dieselfde naam in strukturele analise in beide die maasdata en die analisebeheerdata gedefinieer is, geniet die definisie in die analisebeheerdata voorrang. ’n Materiaaldefinisie in die maasdata self word egter steeds vereis; wanneer ’n materiaal met dieselfde naam in die analisebeheerdata gedefinieer word, word die waardes aan die maasdatakant nie geraadpleeg nie en kan dit dus skynwaardes wees. In warmtegeleidingsanalise word materiaalspesifikasie in die analisebeheerdata daarenteen nie ondersteun nie, en die waardes wat in die maasdata gespesifiseer is, word onveranderd gebruik.

Ondersteuning volgens analisetipe kan soos volg opgesom word. Lineêre statiese analise, modale analise en lineêre dinamiese analise gebruik lineêre elastisiteit. Nie-lineêre statiese en nie-lineêre dinamiese analises met driedimensionele kontinuum-soliede elemente kan hiperelastisiteit, elastoplastisiteit, visko-elastisiteit, kruip en gebruiker-gedefinieerde materiale op ’n lineêr-elastiese basis gebruik. Warmtegeleidingsanalise gebruik digtheid, spesifieke warmte en termiese geleidingsvermoë eerder as strukturele materiaalmodelle. Sien Analisetipes vir ’n oorsig van analisetipes.

Daar is ook beperkings volgens elementtipe. Driedimensionele kontinuum-soliede elemente kan nie-lineêre materiaalmodelle vir strukturele analise gebruik. Vlakspanning-, vlakrek- en aksisimmetriese elemente gebruik hoofsaaklik lineêre elastisiteit; hierdie tweedimensionele elementfamilies ondersteun nie elastoplastisiteit, hiperelastisiteit, visko-elastisiteit of kruip nie. Skulpelemente ondersteun lineêre elastisiteit en kan as enkellaag of gelamineerd, isotroop of anisotroop gespesifiseer word. Skulpelemente ondersteun nie elastoplastisiteit, hiperelastisiteit, visko-elastisiteit of kruip nie. Koppelvlakelemente word gebruik om gapinghitte-oordrag en straling in warmtegeleidingsanalise te modelleer; gapingsparameters word op die datareël van !SECTION gespesifiseer en nie as materiaaldata nie. Sien ook die Elementbiblioteek vir voorbeelde van assosiasie met elementgroepe en laminaatinvoer.

Die volgende tabel som die beskikbaarheid van materiaalmodelle volgens elementtipe op.

(Simbole: ○ beskikbaar / — nie ondersteun nie). Vir koppelvlakelemente word termiese eienskappe vir gapinghitte-oordrag en straling met !SECTION gespesifiseer.

Daar is twee roetes om materiale te definieer. In maasdata assosieer !SECTION ’n elementgroep met ’n materiaalnaam, terwyl !MATERIAL en !ITEM materiaaleienskappe definieer. In analisebeheerdata word materiaalmodelle gedefinieer deur binne ’n !MATERIAL-blok !ELASTIC, !HYPERELASTIC, !PLASTIC en soortgelyke sleutelwoorde te plaas. As !MATERIAL in die analisebeheerdata gedefinieer is, word daardie definisie gebruik in plaas van die materiaaldefinisie met dieselfde naam in die maasdata. Sien !SECTION (maasdata) en !MATERIAL (maasdata) vir besonderhede van !SECTION en !MATERIAL aan die maasdatakant. Sien !MATERIAL (analisebeheerdata) vir die materiaalblok aan die analisebeheerdata-kant.

Keuse van ’n materiaalmodel¶

Wanneer ’n materiaalmodel gekies word, bepaal eers of lineêre elastisiteit voldoende is. Gebruik lineêre elastisiteit wanneer vervorming klein is, spanning nie die vloeipunt oorskry nie en tydafhanklike relaksasie of kruip nie in ag geneem hoef te word nie. Kies hiperelastisiteit vir grootvervorming-elastiese respons, elastoplastisiteit vir plastiese rek ná vloei, visko-elastisiteit vir materiale met relaksasietye, en kruip vir vervorming wat tydens langtermynlasaanhouding voortgaan.

Wanneer temperatuurafhanklikheid vereis word, kontroleer ondersteuning vir elke materiaalmodel. Lineêre elastisiteit, kruip en die termiese-uitsettingskoëffisiënt ondersteun temperatuurafhanklike tabelle. Visko-elastisiteit gebruik temperatuurverskuiwing deur !TRS eerder as temperatuurinterpolasie van die Prony-koëffisiënte self. Vir elastoplastisiteit is temperatuurafhanklike tabelle beskikbaar wanneer multilineêre verharding met Mises-vloei gebruik word. Mohr-Coulomb en Drucker-Prager ondersteun nie temperatuurafhanklikheid nie.

Wanneer anisotropie of laminate vereis word, oorweeg ook die elementtipe. Soliede elemente ondersteun ortotropiese lineêre elastisiteit. Binne die omvang van lineêre elastisiteit ondersteun skulpelemente isotropiese enkellaag-, anisotropiese enkellaag-, isotropies-gelamineerde en anisotropies-gelamineerde materiale. Nie-lineêre materiaalmodelle kan nie met skulpelemente gebruik word nie.

Vir byna onsamedrukbare materiale, moenie Poisson se verhouding op 0.5 stel nie. FrontISTR ondersteun nie die spesifikasie van ’n volkome onsamedrukbare materiaal nie. In grootvervormingsprobleme waar onsamedrukbaarheid ’n sterk invloed het, is die keuse van elementformulering ook belangrik; kontroleer ook die formuleringsopsies in die Elementbiblioteek.

Lineêre elastisiteit¶

Lineêre elastisiteit is die mees fundamentele materiaalmodel in FrontISTR se strukturele analise. Lineêre statiese analise, modale analise en lineêre dinamiese analise gebruik lineêre elastisiteit. Wanneer elastoplastisiteit, visko-elastisiteit of kruip gebruik word, word lineêre elastisiteit ook in dieselfde materiaal vir die elastiese deel gedefinieer. → Sien !ELASTIC vir besonderhede.

Vir isotropiese lineêre elastisiteit, spesifiseer Young se modulus en Poisson se verhouding. Wanneer temperatuurafhanklikheid vereis word, kan Young se modulus en Poisson se verhouding as funksies van temperatuur getabelleer word. Vir ortotropie, spesifiseer altesaam nege onafhanklike konstantes: Young se moduli in drie rigtings, drie Poisson-verhoudings en drie skuifmoduli. Omdat ortotropie ’n materiaalkoördinaatstelsel vereis, spesifiseer ’n plaaslike koördinaatstelsel in die ooreenstemmende !SECTION.

Om lineêre elastisiteit in maasdata te spesifiseer, kombineer !SECTION en !MATERIAL. In die volgende voorbeeld word materiaal ALL aan soliede elementgroep M1 toegewys; ITEM=1 definieer Young se modulus en Poisson se verhouding, ITEM=2 definieer massadigtheid en ITEM=3 definieer die koëffisiënt van lineêre termiese uitsetting.

!SECTION, TYPE=SOLID, EGRP=ALL, MATERIAL=M1

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=3
!ITEM=1, SUBITEM=2
  4000., 0.3
!ITEM=2
  8.0102E-10
!ITEM=3
  1.0E-5

Vir skulpelemente is beide enkellaag- en gelamineerde definisies binne lineêre elastisiteit beskikbaar. Gebruik SUBITEM=4 vir ’n enkellaag-isotropiese materiaal en SUBITEM=9 vir ’n enkellaag-anisotropiese materiaal. Plaas vir ’n laminaat materiaalkonstantes en laaggewigte vir alle lae in dieselfde !ITEM. Laaggewigte word deur hul totaal genormaliseer en as integrasiegewigte deur die dikte gebruik. Die fisiese dikte van die hele skulp word deur die dikte in !SECTION, TYPE=SHELL gespesifiseer.

Die volgende is ’n voorbeeld van ’n enkellaag-skulp met ’n isotropiese materiaal.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=4
0, 200000, 0.3, 2.0

Die volgende is ’n voorbeeld van ’n tweelaag-gelamineerde skulp met isotropiese materiale.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=7
0, 200000, 0.3, 2.0, 200000, 0.3, 2.0

Die volgende is ’n voorbeeld van ’n enkellaag-skulp met ’n anisotropiese materiaal. Die anisotropiehoek word in grade gespesifiseer.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=9
1, 28600., 0.15, 32.3, 28600., 12434., 12434., 12434., 0.0

Die volgende is ’n voorbeeld van ’n tweelaag-gelamineerde skulp met anisotropiese materiale.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=17
1, 28600., 0.15, 32.3, 28600., 12434., 12434., 12434., 0.0,
   28600., 0.15, 32.3, 28600., 12434., 12434., 12434., 0.0

Hiperelastisiteit¶

Hiperelastisiteit is ’n nie-lineêre elastiese materiaalmodel waarin spanning uit ’n rekenergiefunksie gedefinieer word. Dit word gebruik vir rubberagtige materiale wat ná ontlasting na hul oorspronklike vorm terugkeer, selfs ná groot vervorming. Spesifiseer in die invoer binne ’n !MATERIAL-blok !HYPERELASTIC. → Sien !HYPERELASTIC vir besonderhede.

FrontISTR ondersteun die volgende hiperelastiese modelle. Die OGDEN-model word nie ondersteun nie.

Hiperelastisiteit gebruik die koëffisiënt \(D\) wat met volumeverandering verband hou om saampersbaarheid voor te stel. Volkome onsamedrukbare materiale word nie ondersteun nie, dus moet ’n spesifikasie wat met Poisson se verhouding \(\nu=0.5\) ooreenstem nie gebruik word nie. Vir byna onsamedrukbare materiale is dit nodig om nie net die koëffisiënte van die hiperelastiese model nie, maar ook die elementformulering te kies.

Hiperelastisiteit word by verstek binne die Total Lagrange-raamwerk hanteer. Sien Hiperelastisiteit (Teorie) vir definisies van die rekenergiefunksie, spanning en raaklynstyfheid.

Elastoplastisiteit¶

Elastoplastisiteit skei die elastiese en plastiese gebiede met ’n vloeifunksie en stel die respons ná vloei met ’n verhardingswet voor. Kombineer in die invoer binne dieselfde !MATERIAL-blok !ELASTIC en !PLASTIC. → Sien !PLASTIC vir besonderhede.

In FrontISTR word ’n elastoplastiese model gespesifiseer deur ’n vloeifunksie met ’n verhardingswet te kombineer. Die ondersteunde omvang is soos volg.

Multilineêre verharding met Mises-vloei ondersteun temperatuurafhanklike tabelle. Bilineêre verharding, Swift-verharding, Ramberg-Osgood-verharding, kinematiese verharding en gekombineerde verharding met Mises-vloei word as konstante uitdrukkings geëvalueer. Mohr-Coulomb en Drucker-Prager ondersteun nie temperatuurafhanklikheid nie. Wanneer multilineêre verharding gebruik word, moet die invoer sodanig wees dat plastiese rek nie-negatief is en die eerste plastiese rek 0 is.

Skulp-, vlakspanning-, vlakrek- en aksisimmetriese elemente ondersteun nie elastoplastisiteit nie. Gebruik driedimensionele kontinuum-soliede elemente vir elastoplastiese materiale.

Elastoplastisiteit word by verstek binne die Updated Lagrange-raamwerk hanteer. As !PLASTIC vir INFINITESIMAL gespesifiseer word, word dit as ’n kleinvervorming-konstitutiewe wet behandel. Spanningsopdatering gebruik integrasie gebaseer op return mapping; sien Elastoplastisiteit (Teorie) vir algoritmiese besonderhede.

Visko-elastisiteit¶

Visko-elastisiteit is ’n materiaalmodel wat tydafhanklike relaksasie by elastiese respons voeg. FrontISTR gebruik ’n veralgemeende Maxwell-model as ’n Prony-reeks. Definieer binne dieselfde !MATERIAL-blok !ELASTIC en !VISCOELASTIC. → Sien !VISCOELASTIC vir besonderhede.

Vir ’n Prony-reeks, spesifiseer pare relaksasiekoëffisiënte en relaksasietye op verskeie reëls. ’n Relaksasietyd van 0 kan nie gespesifiseer word nie. Om temperatuurafhanklikheid in ag te neem, plaas !TRS ná !VISCOELASTIC en spesifiseer ’n temperatuurverskuiwingsfaktor. → Sien !TRS vir besonderhede.

Temperatuurverskuiwing ondersteun WLF- en Arrhenius-vorme, wat albei die verskuiwingsfaktor \(A\) as ’n funksie van die analisetemperatuur \(\theta\) en verwysingstemperatuur \(\theta_0\) definieer. In albei gevalle verskaf die invoer twee materiaalkonstantes (C1, C2) en ’n verwysingstemperatuur, maar hul betekenis hang van die gekose verskuiwingsmodel af (die twee koëffisiënte van die Williams-Landel-Ferry-vergelyking vir die WLF-vorm, en twee aktiveringsenergie-verwante koëffisiënte vir die Arrhenius-vorm). Sien die teoriehandleiding Visko-elastisiteit vir die spesifieke funksionele vorme en afleiding van die verskuiwingsfaktor.

Kruip¶

Kruip is ’n materiaalmodel vir rek wat met tyd onder ’n konstante las of konstante spanning voortgaan. FrontISTR !CREEP ondersteun die Norton-wet. Definieer binne dieselfde !MATERIAL-blok !ELASTIC en !CREEP. → Sien !CREEP vir besonderhede.

In die Norton-wet word die kruiprektempo voorgestel deur ’n magswetuitdrukking van ekwivalente spanning, tyd en materiaalkonstantes \(A\), \(n\) en \(m\) (sien die teoriehandleiding Kruip vir die spesifieke funksionele vorm). Die materiaalkonstantes ondersteun temperatuurafhanklike tabelle, sodat waardes vir elke temperatuur gespesifiseer kan word.

!CREEP vir TYPE=USER word nie ondersteun nie. Gebruik ’n gebruiker-gedefinieerde materiaal wanneer ’n pasgemaakte konstitutiewe wet wat kruip insluit geïmplementeer word.

Materiaaleienskappe vir warmtegeleidingsanalise¶

Warmtegeleidingsanalise definieer digtheid, spesifieke warmte en termiese geleidingsvermoë eerder as die elastiese en plastiese materiale wat in strukturele analise gebruik word. Vir skakel-, vlak-, soliede en skulpelemente word !MATERIAL met ITEM=1 tot 3 in die maasdata gebruik. Termiese eienskappe kan as temperatuurafhanklike tabelle verskaf word.

In die volgende voorbeeld word digtheid, spesifieke warmte en termiese geleidingsvermoë vir materiaal M1 as temperatuurafhanklike data gedefinieer. Nadat SECTION materiaal M1 aan soliede elementgroep ALL toewys, word onder !MATERIAL vir ITEM=1 digtheid, vir ITEM=2 spesifieke warmte en vir ITEM=3 termiese geleidingsvermoë gegee, elk gepaar met temperatuur.

!SECTION, TYPE=SOLID, EGRP=ALL, MATERIAL=M1

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=3
!ITEM=1, SUBITEM=1
7850., 300.
7790., 500.
7700., 800.
!ITEM=2
0.465, 300.
0.528, 500.
0.622, 800.
!ITEM=3
43., 300.
38.6, 500.
27.7, 800.

Vir koppelvlakelemente word materiaaldata nie gebruik nie; die datareël van !SECTION, TYPE=INTERFACE spesifiseer die gapingswydte, gapinghitte-oordragkoëffisiënt en stralingskoëffisiënte.

!SECTION, TYPE=INTERFACE, EGRP=GAP
1.0, 20.15, 8.99835E-9, 8.99835E-9

Vir warmtegeleidingsanalise met skulpelemente word termiese eienskappe met materiaal !MATERIAL gespesifiseer, soos vir soliede elemente. Skulpdikte en die aantal integrasiepunte deur die dikte word aan die !SECTION-kant gespesifiseer.

Termiese-spanningsanalise definieer die koëffisiënt van lineêre termiese uitsetting om termiese rek uit die temperatuurveld te bereken. Isotropiese en ortotropiese termiese-uitsettingskoëffisiënte word ondersteun, insluitend temperatuurafhanklikheid. → Sien !EXPANSION_COEFF vir besonderhede. Om die massadigtheid wat in strukturele of dinamiese analise gebruik word aan die analisebeheerdata-kant te spesifiseer, sien !DENSITY. Digtheid vir warmtegeleidingsanalise word met maasdata !MATERIAL ITEM=1 gespesifiseer soos hier getoon.

Gebruiker-gedefinieerde materiale¶

Gebruiker-gedefinieerde materiale bied ’n toegangspunt om konstitutiewe wette wat nie deur FrontISTR se ingeboude materiaalmodelle voorgestel kan word nie in ’n eksterne subroetine te implementeer. In die invoer spesifiseer !USER_MATERIAL die aantal toestandsveranderlikes en gebruikerskonstantes. → Sien !USER_MATERIAL vir besonderhede.

!USER_MATERIAL word by verstek as ’n Updated-Lagrange-tipe konstitutiewe wet behandel en as Total-Lagrange-tipe wanneer KIRCHHOFF gespesifiseer word. Die aantal toestandsveranderlikes word deur NSTATUS gespesifiseer. Tot 100 gebruikerskonstantes kan op datareëls deurgegee word. Hierdie konstantes en toestandsveranderlikes word as interne veranderlikes van die konstitutiewe wet in die gebruikersubroetine gebruik.

Met !USER_MATERIAL, implementeer die konstitutiewe wet self in uMatlMatrix en uUpdate. uMatlMatrix gee die materiaal-raaklynstyfheid terug, en uUpdate werk spanning en toestandsveranderlikes by. Vir gebruikerelastisiteit onder klein vervorming, gebruik !ELASTIC, TYPE=USER; vir ’n gebruikerhiperelastiese model, gebruik !HYPERELASTIC, TYPE=USER en implementeer die elastiese respons in uElasticMatrix en uElasticUpdate. Vir ’n gebruiker-gedefinieerde vloeifunksie, gebruik !PLASTIC, YIELD=USER en implementeer die elastoplastiese raaklynstyfheid en return mapping.

Verwante onderwerpe¶

• Analisetipes — Analisetipes waarin materiaalmodelle gebruik kan word
• Elementbiblioteek — Elementtipes en elementformulerings waaraan materiale toegewys word
• Konstitutiewe wette (Teorie) — Konstitutiewe vergelykings en spanningsopdaterings vir elke materiaalmodel
• !MATERIAL (maasdata) — Materiaaleienskapstabelle aan die maasdatakant
• !SECTION (maasdata) — Assosiasie tussen elementgroepe en materiaalname
• !MATERIAL (analisebeheerdata) — Materiaalblokke aan die analisebeheerdata-kant
• !ELASTIC — Lineêr-elastiese materiaal
• !HYPERELASTIC — Hiperelastiese materiaal
• !PLASTIC — Elastoplastiese materiaal
• !VISCOELASTIC — Visko-elastiese materiaal
• !TRS — Temperatuurverskuiwing vir visko-elastisiteit
• !CREEP — Kruipmateriaal
• !DENSITY — Massadigtheid wat in strukturele en dinamiese analises gebruik word
• !EXPANSION_COEFF — Koëffisiënt van lineêre termiese uitsetting
• !USER_MATERIAL — Gebruiker-gedefinieerde materiaal