Print Right the First Time

Accurate material modeling for additive manufacturing

Digimat

Виртуальная лаборатория для моделирования многофазных материалов и композитных конструкций

Horizontal spacer

Переход от металла к композиционным материалам (КМ) с целью снижения веса конструкции – одна из основных задач настоящего времени. Проектирование изделий из композиционных материалов требует специального инструмента, который позволяет точно промоделировать сложный характер поведения и разрушения таких материалов. Классические инструменты проектирования часто не могут точно описать локальное поведение КМ в детали, зависящее от выбранных технологических параметров изготовления и возможных дефектов. Это часто приводит к отсутствию уверенности в конструкции и завышенным коэффициентам запаса.

Программный комплекс Digimat основывается на технологии многоуровневого моделирования КМ, предоставляя эффективные инструменты для проектирования. Благодаря точному описанию локального поведения материала, использование инструментов Digimat дает пользователю 100% уверенность в разрабатываемой детали, позволяя создавать оптимальные облегченные конструкции, в которых используется полностью потенциал КМ. Инструменты Digimat плавно интегрируются в текущий процесс конечно элементного моделирования, устраняя разрыв между производственным процессом изготовления детали и ее структурным анализом.

Технология Digimat объединяет в единую цепочку всех участников создания изделия (разработчиков материалов, производителей деталей, производителей конечных изделий) и позволяет:

  • Промоделировать и исследовать поведение композиционных материалов, металлов и сплавов, материалов со сложной микроструктурой;
  • Спроектировать оптимальные высокоэффективные композитные изделия;
  • Уменьшить вес, стоимость и время выхода на рынок новых инновационных изделий;
  • Повысить точность КЭ расчетов за счет учета технологии изготовления детали;
  • Сократить количество натурных испытаний материалов и прототипов.

Уникальный функционал программного комплекса Digimat позволяет выполнять анализ композиционных материалов как на микро-, так и на макроуровне, точно определяя их механические, тепловые и электрические свойства для последующего использования в КЭ анализе.

Digimat объединяет всех специалистов, связанных с композитами: от разработчиков композиционных материалов и расчетчиков по статической и/или динамической прочности конструкций, до технологов, отвечающих за изготовление композитных деталей, и специалистов, связанных с испытаниями материалов.

Digimat-MF (Mean-Field — поле осреднённых величин) предназначен для определения механических, тепловых и электрических характеристик многофазных материалов методом гомогенизации. В основе работы Digimat-MF лежит микромеханический подход к моделированию материала: пользователь вводит характеристики каждой фазы материала и объемное/массовое содержание, определяет микроструктуру (форму, размер и ориентацию включений) и задает нагружение, прикладываемое к материалу. В результате получается модель многофазного материала, чувствительная к параметрам микроструктуры и свойствам каждой фазы.

Свойства композитного материала вычисляются с помощью так называемого метода гомогенизации Мори-Танака, основанного на подходе Эшелби. Метод описывает поведение одной частицы в виде эллипсои­да, включенной в материал матрицы. Форма частицы определяется отношением диаметра к длине. Метод гомогенизации позволяет получить макроскопические свойства композиционных материалов используя свойства каждой фазы (т.е. свойств материала на микроуровне) и микроструктуру.

Создание модели материала производится в дружес­твенном интерфейсе Digimat-MF, следуя по дереву модели и последовательно вводя требуемые характеристики. Пользователю предоставляются широкие возможности для моделирования многофазных материалов:

  • различные модели материалов для каждой фазы: линейная упругая, упругопластическая (с учетом упрочнения), гиперупругая, вязкоупругая, упруговязкопластическая, тепло- электропроводимости, модели ползучести и другие;
  • параметры микроструктуры: эллипсоидная форма включений (сфера, короткие, длинные и непрерывные волокна) с возможностью учета покрытия, неограниченное количество фаз, однослойные и многослойные материалы, однонаправленные слоистые и тканные (2D, 2.5D и 3D плетение) материалы, решетчатые (lattice) микроструктуры, различные варианты ориентации включений (направленная, случайная или описываемая тензором ориентации), учет пор и другие критерии;
  • методы гомогенизации: Mori-Tanaka, двойного включения;
  • схемы гомогенизации: первого и второго порядка;
  • различные виды нагружений: по типу (механические, температурные, термомеханические, электрические), по истории (монотонные, циклические, задаваемые пользователем), по направлению (одноосные, многоосные);
  • критерии разрушения: максимальных напряжений/деформаций, Цая-Хилла 2D&3D, Аззи-Цая-Хилла 2D, Цая-Ву 2D&3D, Хашина-Ротема 2D, Хашина 2D&3D и другие;
  • возможность применения критериев разрушения как для каждой фазы на микроуровне, так и для всего материала на макроуровне;

Благодаря хорошо зарекомендовавшим себя математическим моделям гомогенизации и отработанным программным процедурам, Digimat-MF не требует значительных вычислительных ресурсов и может эффективно использоваться совместно с внешними решателями для связанного нелинейного конечно-элементного расчета конструкции.

Digimat-FE (Конечные элементы) предназначен для детального исследования многофазного материа­ла на микроуровне путем построения геометрии представительного элемента объема (ПЭО) материа­ла и последующего его анализа методом конечных элементов. Представительный элемент объема - это минимальный объём материала, в котором содержится достаточное число «носителей» для статистического описания механизма рассматри­ваемого процесса.

Digimat-FE позволяет создать реалистичный ПЭО для большого разнообразия микроструктур многофазных материалов: композиционные материалы с полимерной, резиновой, керамической и металлической матрицей, графит, металлокерамика, ферробетон, нанокомпозиты и другие, а также создать ПЭО для материалов со сложной микроструктурой: пены, решетчатые структуры и так далее. Полученные конечно-элементные модели могут быть решены как с помощью встроенного в модуль КЭ решателя, так и экспортированы для решения во внешних решателях.

Для определения характеристик многофазного мате­риала пользователям доступны:

  • различные модели материалов для каждой фазы: упругая, вязкоупругая, гиперупругая, упругопластическая и другие;
  • обширный выбор форм включений: на основе библиотеки стандартных компонентов (сфера, эллипсоид, цилиндр, призма и другие формы) и на основе импортируемых геометрических компонентов, создаваемых в CAD-системах;
  • задание различных характеристик микроструктуры для ее точного описания: объёмная/массовая доля, ориентация включений, дефекты (раковины, поры), возможность учета покрытия на фазах, многослойные структуры, адгезивная связь «волокно-матрица», учет кластеризации включений и так далее;
  • различные виды нагружений: по типу (механические, температурные, термомеханические, электрические), по истории (монотонные, циклические, задаваемые пользователем), по направлению (одноосные, многоосные);

Возможности модуля позволяют расширить границы моделирования многофазных материалов и использовать результаты решения задач микромолекулярной динамики (свойства фаз, микроструктура) из внешних программ (J-OCTA, Schrödinger), а также результаты обработки компьютерной томографии (Volume Graphics).

Digimat-FE хорошо дополняет модуль Digimat-MF и полностью с ним совместим.

Digimat-MX (Material eXpert) предназначен для хранения, поиска и защищённого обмена данными по материалам между поставщиками, разработчиками и потребителями. Содержит в себе данные от ведущих мировых производителей и поставщиков композиционных материалов. Обладает эффективным инструментом для проведения обратного инжиниринга с целью калибровки математических моделей материала Digimat по результатам натурных испытаний. Исходными данными для обратного инжиниринга являются модель материала на микроуровне и результаты натурных испытаний. Пользователь загружает в модуль эти данные, выбирает варьируемые параметры, задает возможный диапазон их изменения и запускает процесс. Модуль автоматически решает оптимизационную задачу и определяет параметры модели материала, которые дают минимальное отклонение от результатов натурных испытаний.

Как база данных по материалам, Digimat-MX предлагает пользователям хранение своих данных по математическим моделям каждого композиционного материала при разных условиях (например, в зависимости от влажности и температуры), по моделям входящих в них фаз, а также хранение результатов натурных испытаний материалов, которые могут быть использованы для обратного инжиниринга. Кроме этого, пользователь может воспользоваться существующей в базе данных информацией от 23-ти ведущих разработчиков и поставщиков композиционных материалов (Solvay, Stratasys, DuPont, DSM и другие). В настоящее время база содержит данные о 359 композиционных материалах, которые включают в себя более чем 29.000 файлов с различными моделями материалов и более 230 экспериментальных данных для них. Разработчик программы постоянно ведет работу по улучшению и наполнению базы данных.

Работу с базами данных можно организовать как на локальном компьютере, так и с удалённым доступом. Пользователю предлагаются широкие возможности по настройке уровней доступа к базе данных: общий, ограниченный, закрытый.

Специализированное решение Digimat-MX+ обеспечивает передачу данных между пользователями по открытым сетям в зашифрованном виде, что позволяет защитить интеллектуальную собственность при удаленной разработке композиционных материалов.

Digimat-CAE (Системы инженерного анализа) позволяет провести связанный конечно-элементный расчет конструкции с нелинейной анизотропной моделью материала Digimat, которая учитывает реальную микроструктуру композиционного материала в каждой точке конструкции. Свойства композиционного материала зависят от характеристик его фаз и микроструктуры, которая характеризуется локальной ориентацией волокон и/или технологическими дефектами (например, порис­тостью). Микроструктура композиционного материала может быть определена с помощью специализированных программных пакетов для моделирования технологических процессов изготовления или получена ее замером в реальной конструкции.

Digimat-CAE объединяет в единую цепочку конечно-элементные программные комплексы для структурного анализа, результаты моделирования технологических процессов изготовления (литье, формовка, ручная выкладка или автоматическая выкладка лентой (AFP), 3D-печать) и модель материала на микроуровне.

При связанном анализе с использованием Digimat-CAE стандартная модель материала конечно-элементного решателя заменяется на нелинейную анизотропную моделью материала Digimat. При решении задачи, на каждом шаге интегрирования, решатель запрашивает информацию о характеристиках материала. Digimat в каждой точке интегрирования для каждого конечного элемента вычисляет жесткостные характеристики материала, определяет степень его разрушения и возвращает эту информацию в решатель.

Применение технологии связанного анализа позволяет точно промоделировать композитную конструкцию, так как учитываются реальные параметры локальной микроструктуры композиционного материала (ориентация волокон и/или филаментов, дефекты, остаточные напряжения, линии спая и другие параметры), полученные в процессе изготовления. Обработка и визуализация результатов расчета выполняются с помощью стандартных инструментов постпроцессорной обработки используемой CAE-системы.

Digimat-CAE имеет интерфейсы с программными пакетами для моделирования технологических процессов изготовления: Moldflow, Moldex3D, SigmaSoft, 3D TIMON, REM3D, Magmasoft, Simulayt, PAM-FORM и позволяет провести расчет не только с КЭ решателями корпорации MSC Software: Marc, MSC Nastran SOL1XX, SOL400, SOL700, но и со сторонними решателями (LS-DYNA, SAMCEF, nCode DesignLife, Abaqus, Ansys и так далее).

Digimat-MAP (Перенос данных) является эффективным, надежным и точным инструментом для передачи данных о микроструктуре (тензор ориентации волокон, остаточные напряжения, линии спая, пористость траектория движения экструдера и другие параметры) с «до­норс­кой» сетки, используемой для моделирования технологичес­кого процесса изготовления детали, на «принимающую» качественную конечно-элементную сетку для структурного анализа.

Переданные данные о микроструктуре могут быть использованы в Digimat-CAE для связанного многоуровневого анализа в расчетной системе. Digimat-MAP обладает инструментом, позволяющим вручную или автоматически скорректировать взаимное положение в пространстве и масштаб «донорской» и «принимающей» сеток. 

Digimat-MAP поддерживает передачу данных о микроструктуре с «донорской» КЭ сетки из широкого спектра программного обеспечения, моделирующего различные технологии изготовления композитных конструкций: литье армированных пластиков под давлением (Moldex 3D, Moldflow, REM3D и другие), объемное формование (Moldex 3D, Moldflow), выкладка слоистого композиционного материала (Simulayt, AniForm и другие), 3D печать (Digimat-AM), а также передачу результатов замера реальной микроструктуры в детали (Volume Graphics, Apodius и другие системы). Данные о микроструктуре могут быть переданы на «принимающую» сетку для структурного анализа: Marc, MSC Nastran, Patran, LS-DYNA, Abaqus, Ansys, I-DEAS, Moldflow, PAM-CRASH, PAM-FORM, RADIOSS, REM3D, SAMCEF, Simulayt, 3D TIMON и других программ. 

При передаче данных пользователю предоставляются различные возможности обработки и визуализации: контурные и векторные диаграммы, схема ориентации волокон в направлении толщины для оболочек, одновременное отображение сеток и наложение их друг на друга, выборочное отображение групп элементов. 

Digimat-HC (Сэндвич-панели) предназначен для простого, быстрого и эффективного проектирования и испытания композитных сэндвич-панелей, используя передовые технологии моделирования микромеханических свойств композитного материала.

Для расчетов Digimat-HC использует собственный конечно-элементный решатель. Графический интерфейс ориентирован на максимальную прос­тоту использования. Заполнитель задается как материал с изотропными свойствами (например — вспененный пенопласт) или как сотовый наполнитель, свойства которого вычисляются на основе заданной геометрии ячейки. Обшивка определяется как укладка слоистого композиционного материала с заданной ориентацией и толщиной каждого слоя. Материал для слоев в укладке может быть выбран как однонаправленный, тканный или слой с равновероятнос­тной ориентацией волокон в плоскости (Random 2D). Критерии разрушения для наполнителя — максимальные напряжения, для композиционного материа­ла обшивки — критерий максимальных напряжений/деформаций, Цая-Ву, Цая-Хилла, Аззи-Цая-Хилла. Пользователь выбирает один из трех наиболее распространенных вариантов испытания сотовой панели (трехточечный изгиб, четырехточечный изгиб или сдвиг в плоскости), задает место приложения нагрузки, ее величину , а также расположение опор. Digimat-HC автоматически создает конечно-элементную модель, проводит расчет средствами встроенного решателя, отображает результаты расчета (перемещения, напряжения, деформации, индексы разрушения) для панели и каждого из слоев и автоматически создает отчет в формате html.

Digimat-AM (Аддитивное производство) — высокоэффективное решение, позволяющее виртуально промоделировать процесс 3D-печати детали из однородного или армированного пластика, определить коробление и остаточные напряжения, возникающие в детали в зависимости от технологических параметров процесса, стратегии печати и выбранного материала.

Модуль имеет дружественный, интуитивно понятный интерфейс, который предоставляет пользователю возможность реализации полного цикла моделирования изготовления детали методом 3D-печати:

  • Выбор параметров принтера и технологии изготовления (SLS (Selective Laser Sintering) — метод спекания порошковых компонентов лазером, FFF (Fused Filament Fabrication) — метод наплавления нити или FDM (Fused Deposition Modeling) — метод послойного наплавления);
  • Импорт геометрии детали в формате STL;
  • Задание ориентации детали в рабочей камере, толщины слоя (для SLS технологии) или загрузка траектории движения печатающей головки (для FFF / FDM технологий);
  • Выбор материала из базы данных от производителей (Stratasys, DSM, Solvay и другие) или создание нового материала со своими характеристиками матрицы и армирования:
    • незаполненный (однородный) полимер;
    • армированный волокнами или гранулами полимер;
  • Задание технологических параметров 3D-печати для выбранной технологии изготовления;
  • Автоматическое создание на геометрии воксельной КЭ сетки выбранного размера;
  • Моделирование процесса полного цикла изготовления детали (печать, удаление опорной плиты и поддерживающих структур) одним из доступным методов: тепловой анализ, связанный термопрочностной анализ или методом Inherent Strains;
  • Обработка результатов расчета (остаточные напряжения, остаточные перемещения (коробление));
  • Экспорт результатов моделирования:
    • искаженная геометрия после изготовления (геометрический формат STL);
    • остаточные напряжения и перемещения для учета их в последующем расчете на прочность и/или жесткость детали с учетом микроструктуры в ней после изготовления;
    • КЭ модель для недеформированной (исходной) геометрии (формат входного файла Marc);
    • анимация процесса печати (формат GIF);
  • Получение скомпенсированной геометрии (геометрия, которая после 3D-печати займет теоретическое положение);
  • Оптимизация материала и технологического процесса 3D-печати;

Digimat-AM позволяет пользователям еще до начала изготовления детали определить возможные производственные проблемы, помогает подобрать оптимальный материал, оптимизировать технологические параметры изготовления и получить скомпенсированную геометрию для минимизации коробления будущей детали при ее реальном изготовлении. Использование виртуального моделирования с Digimat-AM позволяет значительно сократить количество проб и ошибок при изготовлении детали методом печати на 3D принтере.


Digimat-RP (Армированные пластики) представляет собой интегрированное решение, позволяющее выполнить структурный анализ изделий из армированных пластиков с учетом микроструктуры композиционного материала, получаемой при моделировании технологического процесса изготовления.

Многолетний опыт компании-разработчика Digimat по моделированию конструкций из армированных пластиков реализован в простом для использования решении — Digimat-RP, которое объединяет под единой графической оболочкой возможности модулей Digimat-MF, -MAP и -CAE.

Дружественный графический интерфейс Digimat-RP позволяет: загрузить конечно-элементную сетку для структурного анализа, выбрать материал Digimat, подгрузить технологическую сетку с данными о микроструктуре, перенести эти данные на прочностную сетку, сделать настройки решателя, автоматически запустить задачу на расчет и провести постпроцессорную обработку результатов расчета.

Основные преимущества Digimat-RP:

  • Работа в едином интуитивно понятном дружественном интерфейсе;
  • Высокая точность моделирования свойств композиционных материалов;
  • Простота подготовки расчетной модели и настройки связанного конечно-элементного анализа композитной конструкции на статическую и/или динамическую прочность;
  • Поддержка различных типов расчетов (линейный и нелинейный анализ, явные и неявные методы);
  • Интеграция с интерфейсами ведущих CAE-пакетов для моделирования технологических процессов и расчета на статическую и/или динамическую прочность;
  • Возможность использования обширной базы данных по свойствам армированных пластиков от ведущих мировых производителей (Solvay, Stratasys, DuPont, DSM и другие);
  • Промышленный стандарт: используется и поддерживается основными поставщиками композиционных материалов, ведущими поставщиками первого уровня и мировыми производителями композитных конструкций из армированных пластиков.

Digimat-RP/Moldex3D

Digimat-RP/Moldex3D является дальнейшим развитием Digimat-RP для расчета на прочность изделий из армированных пластиков, получаемых литьем под давлением.

Одним из ключевых моментов расчета конструкций из армированных пластиков является точное описание локальной микроструктуры композиционного материала. Однако, доступ инженеров, связанных с расчетом динамики и прочности конструкции, к описанию локальной микроструктуры в настоящее время может быть затруднен.

Это связано с тем, что внутри даже одной компании, специалисты, занимающиеся моделированием технологического процесса изготовления композитной конструкции, и инженеры, связанные с расчетом этой конструкции, часто работают в разных подразделениях и на разном программном обеспечении. Все это приводит к сложному и неэффективному циклу проектирования конструкций из армированных пластиков. Данная особенность явно проявляется на начальных этапах разработки изделия, когда еще нет окончательного решения по литьевой форме или в условиях ограниченности времени на разработку конструкции.

Для оптимизации процесса проектирования армированных пластиков, получаемых литьем под давлением, предлагается решение — Digimat-RP/Moldex3D, которое включает в себя инструмент для оценки ориентации армирующих волокон, основанный на технологии Moldex3D (eDesign mesher и Moldex3D solver). Интег­рированное в Digimat-RP решение от Moldex3D имеет упрощенный ввод требуемых данных (выбор материала, температуры расплава и заливочной формы, время впрыска расплава, положение и диаметр отверстий впрыска) и не требует опыта в моделировании литья под давлением армированных пластиков.

Digimat-RP/Moldex3D уже на ранней стадии проектирования стирает границы между технологическим процессом моделирования литья под давлением и высокоэффективным инженерным анализом конструкций из армированных пластиков.

Дополнительно к основным возможностям Digimat-RP новый модуль Digimat-RP/Moldex3D позволяет:

  • Повысить эффективность проектирования на ранней стадии разработки конструкции;
  • Провести в течение одного дня серию расчетов для выбора литьевой формы и/или технологических режимов литья под давлением;
  • Выбрать оптимальную конструкцию уже на ранней стадии проектирования;
  • Использовать встроенный простой и эффективный инструмент оценки ориентации армирующих волокон и учета линий спая.

Digimat-VA (Виртуальные расчетные характеристики) — высокоэффективное решение, позволяющее легко и быстро провести «виртуальные испытания» требуемой серии образцов и автоматически получить расчетные характеристики слоистого композиционного материала в зависимости от типа материала, разброса его характеристик, укладки слоев в пакете, условий окружающей среды при испытании, видов испытаний и типов образцов.

Digimat-VA так же позволяет провести исследования влияния различных дефектов в образцах при изготовлении на характеристики композиционного материала (учет пористости, расслоения, свилеватости с возможностью задания площади или объема дефекта и его расположения в образце).

Digimat-VA сочетает в себе интуитивно понятный дружественный интерфейс, встроенный высокоэффективный нелинейный конечно-элементный решатель, многоуровневое (на микро- и макроуровне) моделирование композиционных материалов с прогрессирующим разрушением, инструменты автоматической калибровки материала, статистической обработки результатов и создания отчетов.

В первую очередь Digimat-VA предназначен для специалистов, связанных с квалификацией композиционных материалов и получением расчетных характеристик. Применение Digimat-VA обеспечивает получение требуемых характеристик и принятие решений как до начала, так и параллельно с программой длительных натурных испытаний образцов.

Ключевые особенности Digimat-VA:
  • быстрое создание матрицы испытаний для выбранных материалов, укладок, образцов и условий окружающей среды;
  • построение многоуровневых моделей материала, основываясь на свойствах фаз и описании структуры композиционного материала;
  • учет разброса свойств в зависимости от партии поставки материала, техпроцесса и особенностей испытаний;
  • оценка влияния разброса свойств на расчетные характеристики композиционного материала;
  • возможность выхода за пределы рекомендованных в CMH17 (Composite Materials Handbook) процедур;
  • получение виртуальных расчетных характеристик композиционного материала с помощью серии расчетов нелинейных конечно-элементных моделей с прогрессирующим разрушением;
  • частичная замена или расширение программы натурных испытаний образцов за счет виртуальных, сокращение количества и снижение стоимости натурных испытаний;
  • связь с системой управления данными по материалам — Material Center для экспорта в Digimat-VA откалиброванных по результатам натурных испытаний моделей материалов и импорта обратно в Material Center результатов виртуальных испытаний (кривые сопротивления деформации, расчетные характеристики по A- и В-базисам, среднее значение);
Задачи, решаемые с Digimat-VA:
  • подготовка матрицы виртуальных испытаний:
    • выбор композиционного материала (однонаправленный или тканный) из существующих в базе данных или создание нового материала;
    • автоматическая калибровка математической модели материала Digimat по результатом натурных испытаний однонаправленных образцов (результатам общей квалификации);
    • задание укладок слоев в пакете;
    • выбор видов испытаний (растяжение, сжатие) и типов образцов (гладкий, с открытым отверстием, с заполненным отверстием и другие);
    • определение условий окружающей среды (влажность, температура) для испытаний;
    • задание матрицы испытаний и разброса параметров в образцах в зависимости от партии поставки материала, технологии изготовления и испытаний;
    • автоматическое создание конечно-элементных моделей, основываясь на заданной матрице виртуальных испытаний;
  • нелинейный расчет всех созданных конечно-элементных моделей с учетом прогрессирующего разрушения;
  • определение расчетных характеристик слоистого композитного материала;
  • обработка результатов виртуальных испытаний:
    • автоматическое извлечение жесткости (только для гладких образцов), предела прочности и кривой сопротивления деформации;
    • статистическая обработка результатов по всем конечно-элементным моделям и автоматическое вычисление среднего значения, А и В-базисов;
    • визуализация напряжений, перемещений, деформаций и повреждаемости композитного материала;
  • создание настраиваемых отчетов.


Подробнее о программном комплексе Digimat на сайте: www.e-xstream.com

Для ознакомления с информацией о работе в разных операционных системах, пожалуйста, посетите страницу совместимых ОС.