Modele materiałowe
Jeśli w Podstawowe dane modelu aktywowane jest add-on analizy Nieliniowe zachowanie materiału (wymagana licencja), obok modeli materiałowych Izotropowy | Liniowo sprężysty i Ortotropowy | Liniowo sprężysty na liście modeli materiałowych dostępne są dodatkowe możliwości do wyboru.
Metoda obliczeń
Przy użyciu nieliniowego modelu materiałowego zawsze przeprowadzana jest obliczenia iteracyjne. W zależności od modelu materiałowego definiowany jest inny związek między naprężeniami a odkształceniami.
Sztywność elementów skończonych jest w trakcie iteracji wielokrotnie dostosowywana, aż do spełnienia zależności naprężenie-odkształcenie. Dostosowanie odbywa się zawsze dla całego elementu powierzchniowego lub bryłowego. Dlatego przy ocenie naprężeń należy zawsze stosować rodzaj wygładzania Stały w elementach siatki.
Plastyczne i nieliniowo sprężyste modele materiałowe
Niektóre modele materiałowe w RFEM są oznaczone jako „plastyczne”, inne jako „nieliniowo sprężyste”. Gdy element konstrukcyjny z materiałem nieliniowo sprężystym zostanie ponownie odciążony, odkształcenie cofa się po tej samej ścieżce. Przy całkowitym odciążeniu nie pozostaje żadne odkształcenie.
Przy odciążeniu elementu konstrukcyjnego z plastycznym modelem materiałowym po całkowitym odciążeniu pozostaje odkształcenie.
Obciążenie i odciążenie można symulować za pomocą add-onu Analiza stanów konstrukcji.
Siły wewnętrzne w powierzchni
Siły przekrojowe w płytach z nieliniowym materiałem wynikają z całkowania numerycznego naprężeń po grubości płyty. Aby określić metodę całkowania dla grubości, zaznacz w oknie dialogowym „Edytuj grubość” opcję Podaj metodę całkowania. Dzięki temu dostępne są następujące metody całkowania:
- Kwadratura Gaussa-Lobatto
- metoda Simpsona
- metoda trapezów
Ponadto można określić „liczbę punktów całkowania” w obrębie grubości płyty od 3 do 99.
Izotropowy | Plastyczny (pręty)
Jeśli na liście rozwijanej „Model materiałowy” wybierzesz pozycję Izotropowy | Plastyczny (pręty), zakładka do wprowadzania nieliniowych parametrów materiału zostaje aktywna.
W tej zakładce definiujesz wykres naprężenie-odkształcenie. Dostępne są następujące możliwości:
- Standardowy
- Biliniowy
- Wykres
Jeśli wybrano opcję Standardowy, RFEM stosuje biliniowy model materiałowy. Dla modułu sprężystości E i granicy plastyczności fy wykorzystywane są wartości z bazy danych materiałów. Ze względów numerycznych gałąź nie przebiega dokładnie poziomo, lecz ma małe nachylenie Ep.
Jeśli chcesz zmienić wartości granicy sprężystości i modułu sprężystości, aktywuj w zakładce „Podstawy” pole wyboru Materiał zdefiniowany przez użytkownika.
Przy definicji biliniowej można również wprowadzić wartość dla Ep.
Bardziej złożone zależności między naprężeniem a odkształceniem definiujesz za pomocą wykresu naprężenie-odkształcenie. Po wybraniu tej opcji wyświetlana jest zakładka „Wykres naprężenie-odkształcenie”.
W każdym wierszu zdefiniuj punkt zależności naprężenie-odkształcenie. Jak wykres ma przebiegać po ostatnim punkcie definicji, możesz wybrać na liście „Koniec wykresu” poniżej wykresu:
Przy „zniszczeniu” naprężenie po ostatnim punkcie definicji wraca do zera (np. gdy materiał pęka). „Uplastycznienie” oznacza, że naprężenie przy rosnącym odkształceniu pozostaje stałe. „Ciągłość” oznacza, że krzywa przebiega dalej z nachyleniem ostatniego odcinka.
Izotropowy | Plastyczny (powierzchnie/konstrukcje bryłowe)
Jeśli na liście rozwijanej „Model materiałowy” wybierzesz pozycję Izotropowy | Plastyczny (powierzchnie/konstrukcje bryłowe), zakładka do wprowadzania nieliniowych parametrów materiału zostaje aktywna.
Najpierw wybierz „hipotezy wytrzymałościowe”. Do wyboru są następujące hipotezy:
- Huber-Mises (hipoteza energii odkształcenia postaciowego)
- Tresca (hipoteza naprężeń stycznych)
- Drucker-Prager
- Mohr-Coulomb
Jeśli wybierzesz von Mises, w wykresie naprężenie-odkształcenie stosowane są następujące naprężenia:
- Powierzchnie
- Konstrukcje bryłowe
Według hipotezy Tresca stosowane są następujące naprężenia:
- Powierzchnie
- Konstrukcje bryłowe
Według hipotezy Drucker-Prager to naprężenie jest stosowane dla powierzchni i brył:
|
σc |
Naprężenie graniczne w ściskaniu |
|
σt |
Naprężenie graniczne dla rozciąganie |
Według hipotezy Mohr-Coulomb następujące naprężenie jest stosowane dla powierzchni i brył:
Izotropowy | Nieliniowo sprężysty (pręty)
Sposób działania jest w dużej mierze zgodny z modelem materiałowym Plastyczny (pręty). W przeciwieństwie do niego jednak po odciążeniu nie pozostaje żadne odkształcenie plastyczne.
Izotropowy | Nieliniowo sprężysty (powierzchnie/konstrukcje bryłowe)
Sposób działania jest w dużej mierze zgodny z modelem materiałowym Plastyczny (powierzchnie/konstrukcje bryłowe). W przeciwieństwie do niego jednak po odciążeniu nie pozostaje żadne odkształcenie plastyczne.
Izotropowy | Uszkodzenie (powierzchnie/konstrukcje bryłowe)
W przeciwieństwie do innych modeli materiałowych wykres naprężenie-odkształcenie dla tego modelu nie jest antysymetryczny względem początku układu współrzędnych. Dzięki temu w tym modelu materiałowym można na przykład odwzorować zachowanie fibrobetonu. Szczegółowe wskazówki dotyczące modelowania fibrobetonu znajdziesz w artykule specjalistycznym Właściwości materiałowe fibrobetonu.
Izotropowa sztywność jest redukowana za pomocą skalarnej wartości uszkodzenia. Ta wartość uszkodzenia wyznacza się z przebiegu naprężenia zdefiniowanego na wykresie. Nie uwzględnia się przy tym kierunku naprężeń głównych, lecz uszkodzenie następuje raczej w kierunku odkształcenia zastępczego, które obejmuje również trzeci kierunek prostopadły do płaszczyzny. Strefa rozciągania i obszar ciśnienia tensora naprężeń są traktowane oddzielnie. Obowiązują różne wartości uszkodzenia.
„Rozmiar elementu odniesienia” steruje skalowaniem odkształcenia w strefie rysy na długość elementu. Przy ustawionej domyślnie wartości zero nie następuje skalowanie. W ten sposób zachowanie materiału fibrobetonu jest odwzorowywane realistycznie.
Ortotropowy | Anizotropowe uszkodzenie
Materiały drzewne mają właściwości zależne od kierunku (anizotropowe). Anizotropowe kierunki główne przebiegają w kierunku włókien, promieniowo i stycznie. W zakładce Ortotropowy | Anizotropowe uszkodzenie można zdefiniować właściwości nieliniowe.
Ten model materiałowy realizuje model uszkodzenia z ośmioma kryteriami zniszczenia dla drewna. Drewno zachowuje się przy rozciąganiu i ścinaniu quasi-kruch, a przy ściskaniu plastycznie. Ulega zniszczeniu w płaszczyznach wyznaczonych przez przebieg włókien. Model uszkodzenia według Sandhaas [2] opisuje osiem oddzielnych kryteriów zniszczenia (po jednym na kwadrant przestrzeni naprężeń), które sterują dziewięcioma współczynnikami redukcji sztywności.
Lokalna oś x przebiega w kierunku włókien, oś y w kierunku promieniowym, a oś z stycznie. Każde kryterium jest funkcją naprężenia F, która przy początku uszkodzenia osiąga wartość 1. Cztery z nich to proste kryteria naprężeń maksymalnych. Cztery kryteria dla rozciągania poprzecznego i ścinania są eliptyczne: kruche zniszczenie (pęknięcie) jest wywoływane przez rozciąganie w odpowiedniej płaszczyźnie.
Podaj graniczne wytrzymałości materiału oraz energię pęknięcia przy rozciąganiu i energię pęknięcia przy ścinaniu dla każdego kierunku.
Ortotropowy | Plastyczny (powierzchnie) / Plastyczny (konstrukcje bryłowe)
Model materiałowy według Tsai-Wu łączy właściwości plastyczne i ortotropowe. Umożliwia to szczególne modelowanie materiałów o charakterystyce anizotropowej, takich jak tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami lub drewno.
Przy uplastycznieniu materiału naprężenia pozostają stałe. Następuje redystrybucja w zależności od sztywności występujących w poszczególnych kierunkach.
Obszar sprężysty odpowiada modelowi materiałowemu Liniowo sprężysty (konstrukcje bryłowe). Dla obszaru plastycznego obowiązuje następujący warunek płynięcia według Tsai-Wu:
- Powierzchnie
- Konstrukcje bryłowe
Wszystkie wytrzymałości należy zdefiniować jako dodatnie.
Warunek płynięcia można sobie wyobrazić jako powierzchnię w kształcie elipsoidy w sześciowymiarowej przestrzeni naprężeń. Jeśli jedna z trzech składowych naprężeń zostanie przyjęta jako wartość stała, powierzchnię można rzutować na trójwymiarową przestrzeń naprężeń.
Jeśli wartość fy(σ) według równania Tsai-Wu, płaski stan naprężenia jest mniejsza niż 1, naprężenia leżą w obszarze sprężystym. Obszar plastyczny jest osiągnięty, gdy fy(σ) = 1. Wartości większe niż 1 są niedopuszczalne. Model zachowuje się idealnie plastycznie, to znaczy nie występuje usztywnienie.
Ortotropowy | Plastyczny | Spoina (powierzchnie)
Ten model materiałowy jest stosowany w analizach z add-onem Połączenia stalowe, aby normowo odwzorować zachowanie spoin. Na powierzchni zastępczej powstają tylko naprężenia odpowiadające składowym naprężeń σ⊥, τ⊥ i τ|| spoiny. W pozostałych kierunkach naprężeń sztywność powierzchni zastępczej dąży do zera.
W zakładce „Ortotropowy | Plastyczny | Spoina (powierzchnie)” można określić parametry uwzględnienia plastycznego umocnienia materiału przy spoinach, na przykład wartości graniczne fekv i fx dla analizy naprężeń według „metody zorientowanej kierunkowo” zgodnie z EN 1993-1-8 [1] dla spoin, zmodyfikowane o udział plastyczny (zobacz również artykuł specjalistyczny Nośność spoin pachwinowych).
Beton
Dla typu materiału „Beton” do wyboru są nieliniowe modele materiałowe Anizotropowy | Uszkodzenie i Izotropowy | Uszkodzenie (powierzchnie/konstrukcje bryłowe).
Te modele materiałowe są opisane w rozdziale Anizotropowy | Uszkodzenie podręcznika projektowania betonu lub powyżej w sekcji Uszkodzenie (powierzchnie/konstrukcje bryłowe).
Mur
Jeśli w Podstawowe dane modelu aktywowany jest add-on projektowania Projektowanie konstrukcji murowych (wymagana licencja), dla typu materiału „Mur” do wyboru są nieliniowe modele materiałowe Izotropowy | Mur | Plastyczny (powierzchnie) i Ortotropowy | Mur | Plastyczny (powierzchnie).
Oba modele materiałowe są opisane w rozdziale Materiały podręcznika projektowania konstrukcji murowych.
Tkanina
Biblioteka materiałów zawiera dwie serie dla typu materiału „Tkanina”:
- Szkło-PTFE: tkanina szklana powlekana politetrafluoroetylenem (PTFE)
- PES-PVC: tkanina poliestrowa powlekana polichlorkiem winylu (PVC)
Dla materiałów tkaninowych, obok liniowego ortotropowego modelu materiałowego, dostępny jest nieliniowy model materiałowy Ortotropowy | Tkanina | Nieliniowo sprężysty (powierzchnie).
Ten model materiałowy umożliwia realistyczne odwzorowanie ortotropowego zachowania napiętych membran tkaninowych, których sztywności w osnowie i wątku są różne. Opisuje tkaninę za pomocą reprezentatywnego elementu bryłowego (RVE) jej mikrostruktury. Dzięki uwzględnieniu geometrii tkaniny model obejmuje dla wszystkich stanów sił w membranie odpowiedni efekt odkształcenia bocznego. Ponieważ uwzględniana jest również zależna od obciążenia rozwój sztywności tkaniny, możliwa jest dokładna analiza konstrukcji membranowych.
Właściwości tkanin są wyznaczane w badaniach dwuosiowych, z których wynikają moduły sprężystości Ex i Ey oraz moduł ścinania Gxy. Sprzężenie między kierunkiem osnowy a kierunkiem wątku wynika jednak z geometrii nitek: pod obciążeniem zmienia się falistość (ondulacja) nitek w obu kierunkach. Ten efekt nazywa się w języku angielskim crimp interchange. Model materiałowy wyprowadza zatem odpowiedź materiałową z komórki elementarnej struktury tkaniny. Ta komórka elementarna obejmuje również własną nieliniowość geometryczną. Współczynniki Poissona nie są w tym modelu stosowane. Sprzężenie obu kierunków odbywa się za pomocą parametru R komórki elementarnej.
Jak przy wszystkich nieliniowo sprężystych modelach materiałowych, odkształcenie przy odciążeniu cofa się po tej samej ścieżce. Obliczenia odbywają się iteracyjnie.
Wybierz na liście „Struktury tkanin” sposób wytwarzania tkaniny. Dostępne są dwie możliwości:
- Splot płócienny
- Splot koszykowy
Podaj moduł sprężystości w kierunku x (osnowa) i w kierunku y (wątek). Ponieważ moduły ścinania Gyz i Gxz przy tkaninie są zawsze zerowe, oferowane jest tylko pole wprowadzania Gxy dla modułu ścinania w płaszczyźnie tkaniny. Ta wartość może być również zerowa.
Parametr R opisuje stosunek wysokości do długości reprezentatywnego elementu bryłowego (RVE). Ta wartość musi wynosić od 0 do 1.
@formula002557#
|
h0 |
Wysokość komórki elementarnej prostopadle do płaszczyzny membrany |
|
l0 |
Długość komórki elementarnej |
Przy materiałach z biblioteki R = 0.25 jest ustawione domyślnie i, podobnie jak pozostałe właściwości, nie może być zmienione. Przy materiale zdefiniowanym przez użytkownika można dostosować R.
W razie potrzeby dostosuj współczynniki rozszerzalności cieplnej tkaniny αx w kierunku osnowy i αy w kierunku wątku. Mogą być również zerowe.
W zakładce „Wartości materiałowe” właściwości tkaniny są podane tak, jak jest to zwyczajowo w branży membran. Kierunek x odpowiada kierunkowi osnowy, kierunek y kierunkowi wątku.
@image065352#
Grubość tkaniny
Grubość membrany jest bardzo mała i trudno jednoznacznie ją określić. W branży membran sztywności i wytrzymałości podaje się zatem w odniesieniu do szerokości, na przykład w kN/m. RFEM przejmuje tę konwencję i przelicza wartości za pomocą grubości odniesienia tref na wielkości naprężeń.
|
Ex,MV / Ey,MV / Gxy,MV |
Sztywności w rejestrze 'Wartości materiałowe' |
|
tref |
Grubość odniesienia |
Te wartości pojawiają się w zakładce Wartości materiałowe. Jeśli przypiszesz tkaninę do grubości, RFEM przejmuje grubość odniesienia t materiału jako grubość d.
Sztywność membrany Ex · tref odpowiada wartości odniesionej do szerokości z biblioteki. Deformacje i siły membranowe, takie jak nx i ny w kN/m, nie zależą zatem od wartości liczbowej grubości odniesienia, o ile wszystkie właściwości odnoszą się do tej samej grubości odniesienia. Naprężenia natomiast odnoszą się do grubości odniesienia.
Jeśli przy materiale zdefiniowanym przez użytkownika zmienisz grubość odniesienia w zakładce „Wartości materiałowe”, wpływa to na wartości w zakładce modelu materiałowego. Dlatego najpierw ustal grubość odniesienia, a dopiero potem sztywności.
Uwagi dotyczące form-finding i projektowania
Proces form-finding jest niezależny od materiału. Właściwości tkaniny nie mają wpływu na znalezioną formę. Oddziałują dopiero na następujące po nim obliczenia pod obciążeniem. Podstawy są opisane w rozdziale Proces form-finding podręcznika form-finding.
Stałe ortotropowe napięcie wstępne jest fizycznie nieosiągalne przy powierzchniach dwukrzywiznowych. Jeśli przy metodzie standardowej połączysz ortotropowe napięcie wstępne z bardzo dużą liczbą iteracji form-finding, mogą wystąpić styczne ruchy poślizgowe w płaszczyźnie membrany, nierównomierny wykres zbieżności i duże deformacje w płaszczyźnie. To zachowanie jest niezależne od modelu materiałowego. Stosuj ustawioną domyślnie liczbę iteracji lub wybierz metodę rzutowania.