Ansys Workbench正交各项异性（横观各向同性）材料强度失效评估 原创

问题：

       在做结构强度有限元仿真的过程中，我们经常被问：结构在某个载荷下能不能用，材料会不会失效。回答这个问题的逻辑也简单：给出材料的许用应力，将仿真结果的应力值和许用应力进行比较，仿真应力大于许用应力就判断不合格。

        但是做了仿真就知道，计算结果的应力提取类型有很多，而可查到的材料测试标准值又少的可怜。尤其是最近遇到一种纤维增强塑料的强度仿真问题，要判断塑料件在给定载荷下是否失效。

示例：

       塑料件是PA的基体，然后注塑成型的过程中加了玻纤增强材料（PA + GF20）。这就导致了成形结构件不再是各向同性的材质，变成了各向异性。常用的四大强度理论似乎不再适用其强度失效的结果评估。

这里先回顾下最常用的四大强度理论：（假设材料的许用应力是最易查到标准拉伸屈服强度或抗拉强度）

第一强度理论：最大拉应力强度理论，即当结构件的最大拉应力大于材料测试的拉应力限值时就判断的结构会失效。适用材料：脆性材料（如铸铁等）。只提取仿真结果的第一主应力与材料应力标准值进行比较。

即只需判断：仿真结果的 与材料的许用应力；

第二强度理论：最大拉应变强度理论，即导致材料失效的主要因素是拉应变。（这个本人用的少，就不误导大家了）。

第三强度理论：最大剪切应力强度理论，即结构件的失效主要是因为切应力最先达到了材料的许用切应力。

我们是需要判断仿真结果的最大剪应力 与材料的。等效为 。

（但是我们没有实测数据，这里我就认为标准试验拉伸试验中，当材料达到屈服时，材料的剪切强度 ，即材料许用剪切强度是拉伸试验测试的拉伸应力的一半。）

第四强度理论：我们最常用的Von mises应力（畸变能密度理论），适用绝大多数塑性金属材料的失效评估。

公式为：

        而对于各向异性的塑料材质这四种理论显然就不在适用了，那么我们怎么判断这类塑料材质的应力仿真结果是否满足强度要求呢。

                                教材《工程材料力学行为》一书中提及了各向异性材料的失效校核方法：

        纤维增强塑料就是一种各向异性材料，在纤维方向和垂直纤维方向，材料的力学属性有显著差异。因此我们可以使用上述Hill强度评估方法来校核纤维增强塑料的强度评估。

        同时我们可以假设纤维增强塑料是一种特殊的各向异性材料，在垂直纤维方向的平面内材料又是各向同性的。这样Hill材料常数H、F、G、N、L、M的计算，就由、六个测试数据，变为=四个数据。

       通常我们是可以查到PA基体的力学参数（拉伸屈服强度）和PA+GF20 的拉伸屈服强度。

• 这里可以近似理解为玻纤方向的=130MPa即为PA+GF20的拉伸屈服强度

• ==74MPa为纯PA的拉伸屈服强度，

• 同时近似使用 = =75MPa，

• =37.5MPa。

      这样我们就可以通过有限的可查材料数据来，近似计算Hill强度公式的材料常数进行各向异性玻纤材料的强度评估。

至此时，我们只需要提取有限元仿真结果在某节点位置的应力分量、 带入Hill公式即可获得各向异性材料在某载荷下是否失效的强度结论（Hill值与1进行比较，Hill值大于1 即为失效）

仿真示例：

     有如下形状的一个卡扣，卡扣两侧固定约束；在中间圆弧区域受到-Z方向的力载荷10N和一个绕X轴的扭转载荷0.2NM。

同时，还知道卡扣的材料是PA+GF20，玻纤均匀分布，玻纤整体排布方向顺着卡扣方向（全局坐标系的Y方向）

几何模型约束位置和载荷如下所示：