Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Versagenskriterium nach Puck in ANSYS (Version 8.1) zu implementieren. Dieses Ziel wurde dahingehend erreicht, dass es mithilfe einer Materialsubroutine nun möglich ist den Anstrengungsfaktor nach Puck mit ANSYS zu berechnen. Die erhaltenen Ergebnisse unterscheiden sich in den behandelten Beispielen teilweise erheblich von denen nach Tsai-Wu. Die Anstrengungsfaktoren nach Puck und Tsai-Wu unterscheiden sich um bis zu Faktor 2. Es scheint, dass weder Tsai-Wu noch Puck konstant konservativere Ergebnisse liefern. Vielmehr scheint es so, dass für Mode A Belastungen Puck konservativer und für Mode C Belastungen Tsai-Wu konservativer ist.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Kriterium der maximalen Spannungen:
1.2. Kriterium nach Tsai-Wu:
1.3. Kriterium nach Puck:
2. Implementierung in ANSYS / Hinweise zur Benutzung
2.1 Algorithmus zur Implementierung von Versagenskriterien
2.2 Erläuterungen zur Abarbeitung der Subroutine
2.3 Hinweise zur Benutzung
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1 Einfache Spannungszustände
3.2 Kombinierte Spannungszustände
4. Zusammenfassung und Ausblicke
5. Abkürzungs- und Quellenverzeichnis
6. Anhang
6.1. Quellcode
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit besteht in der Implementierung des Versagenskriteriums nach Puck in das Programmsystem ANSYS (Version 8.1) mittels einer Materialsubroutine. Die Arbeit untersucht dabei insbesondere die Unterschiede und Gemeinsamkeiten gegenüber dem etablierten Tsai-Wu-Kriterium anhand von Simulationsbeispielen.
- Implementierung einer User-Programmable-Feature (UPF) Subroutine für Puck-Versagenskriterien.
- Theoretische Grundlagen und mathematische Herleitung der verschiedenen Versagensmodi nach Puck.
- Validierung des Algorithmus durch Benchmarks unter einfachen und kombinierten Spannungszuständen.
- Vergleichende Analyse der Anstrengungsfaktoren zwischen den Kriterien von Puck und Tsai-Wu.
- Dokumentation des entwickelten Fortran-Quellcodes zur Anwendung in ANSYS.
Auszug aus dem Buch
1.3. Kriterium nach Puck:
Beim Versagen von Faserverbundwerkstoffen können, je nach Belastungsrichtung, sowohl die Matrix als auch die Faser selbst die Schwachstelle sein. Puck berücksichtigt dies, indem er zwischen Faserversagen und Matrixversagen unterscheidet.
Faserversagen:
In Faserrichtung (e1) wird der größte Teil der Belastung von den Fasern aufgenommen. Daher versagt das Laminat bei der Belastung, bei der die Fasern versagen. Puck drückt dies über Versagensdehnungen aus:
Für Zug in e1-Richtung und σf1 > 0
Für Druck in e1-Richtung und σf1 < 0
Die Gleichungen (2) und (3) überprüfen, ob die Gesamtdehnung die Versagensdehnung erreicht hat. Der Term mit ε1 wird direkt aus der Spannung in e1-Richtung ermittelt. Der zweite Term dient der Kopplung bei kombinierten Spannungszuständen. Eine Spannungskomponente in e2-Richtung verursacht eine Spannung in der Faser. Diese Spannung ist das Resultat aus den Unterschieden der Querkontraktionszahlen und der verschiedenen E-Moduln. Für den Druckbereich führt Puck noch einen dritten Term (γ21) ein. Dieser Term trägt der experimentellen Beobachtung Rechnung, dass eine zusätzliche Schubspannung τ21 das Knicken der Fasern begünstigt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen von Faserverbundwerkstoffen, die Notwendigkeit von Versagenskriterien bei anisotropen Materialien und führt in die Kriterien von maximalen Spannungen, Tsai-Wu und Puck ein.
2. Implementierung in ANSYS / Hinweise zur Benutzung: Hier werden die methodischen Schritte zur Einbindung einer benutzerdefinierten Subroutine in ANSYS (UPFs) sowie die Handhabung der Materialkennwerte in der Eingabemaske beschrieben.
3. Ergebnisse und Diskussion: Dieses Kapitel stellt die Verifizierung der implementierten Routine durch Simulationen unter einfachen sowie kombinierten Spannungszuständen dar und diskutiert die Abweichungen zum Tsai-Wu-Kriterium.
4. Zusammenfassung und Ausblicke: Die zentralen Ergebnisse der Arbeit werden resümiert, wobei die Leistungsfähigkeit der implementierten Puck-Routine bei der Unterscheidung von Versagensmodi hervorgehoben wird.
5. Abkürzungs- und Quellenverzeichnis: Zusammenstellung der in der Arbeit verwendeten Formelzeichen, Indizes sowie der zitierten wissenschaftlichen Literatur.
6. Anhang: Enthält den vollständigen, in Fortran geschriebenen Quellcode der implementierten Materialsubroutine.
Schlüsselwörter
Puck-Versagenskriterium, ANSYS, Faserverbundwerkstoffe, Materialsubroutine, Anstrengungsfaktor, Tsai-Wu-Kriterium, Anisotropie, Matrixversagen, Faserversagen, Finite-Elemente-Methode, Simulation, Bruchmechanik, Werkstoffprüfung, Fortran.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Erweiterung der Funktionalität der Software ANSYS, um spezielle, physikalisch basierte Versagenskriterien für Faserverbundwerkstoffe anwenden zu können.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die Finite-Elemente-Analyse (FEA), die numerische Implementierung von Materialgesetzen und die vergleichende Festigkeitsanalyse von Laminaten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die erfolgreiche Implementierung des Pucks-Kriteriums zur Berechnung von Anstrengungsfaktoren in ANSYS, um genauere Vorhersagen über das Versagen von Faserverbundbauteilen zu treffen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine numerische Methode genutzt, bei der über eine user-definierte Subroutine (User-Programmable-Feature) in Fortran die materialinternen Spannungszustände mit den experimentell ermittelten Versagenskriterien abgeglichen werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die algorithmische Einbindung der Routine in die Softwareumgebung sowie eine detaillierte Auswertung und Diskussion von Benchmark-Simulationen an unidirektionalen Platten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Puck-Versagenskriterium, Anstrengungsfaktor, Materialsubroutine, Anisotropie und Faserverbundwerkstoffe.
Warum wird das Puck-Kriterium dem Tsai-Wu-Kriterium gegenübergestellt?
Da Tsai-Wu ein etabliertes, aber weniger differenziertes Kriterium in Standard-Software ist, soll durch den Vergleich aufgezeigt werden, dass Puck durch die Unterscheidung der Versagensmodi (Mode A, B, C) konservativere bzw. präzisere Ergebnisse liefern kann.
Was ermöglicht die Datei Bruchkriterium.out?
Diese Datei dient der Fehlerdiagnose und Ergebnisausgabe, da sie dem Nutzer erlaubt, gezielt den vorliegenden Versagensmode zu identifizieren.
Welche Limitationen weist die aktuelle Implementierung auf?
Die derzeitige Routine ist primär für Langfaserverbunde mit spröder Matrix unter ebenem Spannungszustand ausgelegt und unterscheidet lediglich zwischen Glas- und Kohlenstofffasern.
- Quote paper
- Carsten Kröner (Author), 2006, Implementierung des Versagenskriteriums nach Puck in das Programmsystem ANSYS, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/81490
