Leitlinien zum Auswählen eines geeigneten Versagenskriteriums zum Berechnen des Faktors der Sicherheitsverteilung einer Konstruktion.
Auswertung von Versagenskriterien
Theoretische Vorhersagen des Versagens von Verbundstoffen werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen, indem Fehlerhüllkurven (Verbundversagen tritt außerhalb der Hüllkurve auf) unter verschiedenen biaxialen Spannungszuständen miteinander verglichen werden. Für einen Verbund wird ein Zustand planarer Spannung mit folgenden Spannungskomponenten ungleich 0 angenommen: σ1, σ2 und τ12. Die Richtungen 1 und 2 repräsentieren die Lagenausrichtung bzw. die Querrichtung dazu.
Nachfolgend ist eine schematische Darstellung der Fehlerhüllkurve für eine bestimmte Versagenstheorie, zum Beispiel das Tsai-Wu-Versagenskriterium, gegeben. X und S bezeichnen die Normal- bzw. Schubkraft des Verbunds, t und c die Zug- bzw. Drucklast. Die offenen Kreise in der zweiten Darstellung zeigen beispielhaft einige experimentelle Ergebnisse für τ12 > 0.
Fehlerhüllkurven für die anderen Versagenskriterien (Tsai-Hill und Maximale Spannung) werden darüber gelagert, und die Genauigkeit von Vorhersagen wird anhand experimenteller Ergebnisse bewertet, um das beste Versagenskriterium auszuwählen.
Das Diagramm ist nicht repräsentativ für irgendein Materialsystem. Es wird hier gezeigt, um das Verständnis der Abläufe bei der Evaluierung von Versagenskriterien zu erleichtern.
Bei Verbunden mit mehreren Ausrichtungen ist es schwierig, die passende Versagenstheorie zu ermitteln. Zwar werden ähnliche Fehlerhüllkurven für Verbunde konstruiert. Doch für das FPF (das erste Lagenversagen), welches vom Programm benutzt wird, ergibt sich aus mehreren Gründen ein breites Spektrum von Abweichungen zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Beobachtungen.
Auf der Grundlage derartiger Beobachtungen werden einige Empfehlungen abgeleitet, die Ihnen bei der Auswahl zwischen den verschiedenen Versagenstheorien helfen sollen.
In der Regel ist es schwierig, die geeignete Theorie zu ermitteln, da keine umfassenden experimentellen Ergebnisse vorliegen. Sofern möglich, sollten Sie immer alle drei Versagenstheorien verwenden und den schlimmsten Fall für einen relativ konservativen Entwurf auswählen.
Maximales Spannungskriterium
Bei matrix-dominiertem Versagen empfiehlt sich eine Anwendung des Kriteriums der maximalen Spannung auf einen Verbund, wenn für die Spannung quer zur Faser die Bedingung σ2 > 0 gilt. Sie können diese Spannung für jede Lage mithilfe der Optionen für Verbundstoffe im PropertyManager 'Spannungsdarstellung' überprüfen.
Tsai-Hill-Kriterium
Das Tsai-Hill-Kriterium ist die beste Wahl für die Anwendung auf einen Verbund, wenn Zug- und Druckfestigkeit gleich sind. Bei matrix-dominiertem Versagen empfiehlt sich eine Anwendung des Tsai-Hill-Kriteriums auf einen Verbund, wenn für die Spannung quer zur Faser die Bedingung σ2 < 0 erfüllt ist.
Tsai-Wu-Kriterium
Das Tsai-Wu-Kriterium eignet sich am besten, wenn Zug- und Druckfestigkeit voneinander abweichen. Bei matrix-dominiertem Versagen empfiehlt sich eine Anwendung des Tsai-Wu-Kriteriums auf einen Verbund, wenn für die Spannung quer zur Faser die Bedingung σ2 < 0 erfüllt ist.