Isotrope und orthotrope Materialien
Isotrope Materialien
Ein Material ist isotrop, wenn seine mechanischen und thermischen Eigenschaften in alle Richtungen identisch sind. Isotrope Materialien können über homogene und nichthomogene mikroskopische Strukturen verfügen. So zeigt beispielsweise Stahl ein isotropes Verhalten, obwohl seine mikroskopische Struktur nicht homogen ist.
Orthotrope Materialien
Ein Material ist orthotrop, wenn seine mechanischen oder thermischen Eigenschaften in drei senkrecht zueinander stehenden Richtungen individuell und unabhängig sind. Beispiele für orthotrope Materialien sind Holz, viele Kristalle und gewalzte Metalle.
Die mechanischen Eigenschaften von Holz an einem bestimmten Punkt werden in Längsrichtung, radiale und tangentiale Richtung beschrieben. Die Längsachse (1) verläuft parallel zur Richtung der Fasern, die radiale Achse (2) verläuft senkrecht zu den Jahresringen und die tangentiale Achse (3) tangiert die Jahresringe.
Definieren orthotroper Eigenschaften für Volumenkörper
Die orthotropen Materialrichtungen in einer Komponente werden auf Grundlage der ausgewählten Referenzgeometrie definiert. Wenn dieses bei einem gefertigten Teil nicht zutrifft, sollten Sie die einzelnen Teile getrennt modellieren, um die orthotropen Richtungen ordnungsgemäß zu definieren. Betrachten Sie beispielsweise das in folgender Abbildung gezeigte Teil.
Sie müssen dieses Teil als zwei Teile modellieren – Zylinder und planares Blatt. Anschließend können Sie eine Ebene als Referenzgeometrie zum Definieren der orthotropen Materialrichtungen für das planare Blatt und die Achse des Zylinders als Referenzgeometrie für den Zylinder verwenden.
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X-, Y- und Z-Richtungen für ein orthotropes Material bei Verwendung einer Ebene als Referenzgeometrie
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Radiale (X), tangentiale (Y) und axiale (Z) Richtungen für ein orthotropes Material bei Verwendung einer Achse als Referenzgeometrie
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Definieren orthotroper Eigenschaften für Schalen
Wählen Sie bei einer planaren Schale als Referenzgeometrie eine Ebene aus, die parallel zur Schale ist. Die X- und Y-Achsen liegen in der Ebene, und die Z-Achse liegt normal auf der Ebene. Wählen Sie bei einer zylindrischen Schale die Achse des Zylinders als Referenzgeometrie aus. Die Y-Achse verläuft parallel zur Zylinderachse, die X-Achse verläuft tangential.
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X-, Y- und Z-Richtungen eines orthotropen Materials für eine planare Schale
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X- und Y-Richtungen eines orthotropen Materials für eine zylindrische Schale
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Bei Verbundstoff-Schalen wird die X-, Y- und Z-Richtung für die orthotrope Materialdefinition
für jede Lage je nach Lagenwinkel unterschiedlich definiert. Die Referenzgeometrie wird für die orthotrope Materialdefinition nicht berücksichtigt.
Im Allgemeinen modifiziert die Software die Referenzgeometrie wie folgt:
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Die Software wandelt das durch die Referenzgeometrie definierte Koordinatensystem so um, dass die Z-Achse normal auf der Schalenebene liegt. Die Ebene der Schale wird durch die drei Eckknoten festgelegt.
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Wenn der Winkel zwischen der X-Achse der ausgewählten Referenzgeometrie und der Normalen der Schalenebene größer ist als 45o, projiziert das Programm die X-Achse der Referenzgeometrie auf die Schalenebene, um die modifizierte X-Achse zu definieren.
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Ist der Winkel zwischen der X-Achse der ausgewählten Referenzgeometrie und der Normalen der Schalenebene kleiner als 45o, projiziert das Programm die Y-Achse der Referenzgeometrie auf die Schalenebene, um die modifizierte X-Achse zu definieren.
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Die Y-Achse der modifizierten Referenzgeometrie wird dann so definiert, dass ein rechtes kartesisches Koordinatensystem entsteht.
Definieren eines orthotropen Materials