Композиционные материалы и конструкции

Моделирование и оптимизация укладки слоистого композиционного материала, определение напряжений и деформаций в слоях, уверенное прогнозирование разрушения материала

Композиционные материалы и конструкции

Моделирование и оптимизация укладки слоистого композиционного материала, определение напряжений и деформаций в слоях, уверенное прогнозирование разрушения материала

Horizontal spacer

Композиционные материалы используются человечеством уже тысячи лет. Глиняные кирпичи (саман), использовавшиеся для построек, изготавливались из смеси глины и соломы. Именно сочетание физических свойств каждого материала, входящего в композит, дает окончательные уникальные характеристики данному материалу. Современные композиционные материалы, например с углеродным волокном, объединяют в себе уникальные свойства: легкий, прочность, долговечность и термостойкость. В настоящее время преимущества изделий, спроектированных и изготовленных из композиционных материалов, а не из сталей и сплавов, хорошо известны во многих отраслях промышленности.

Использование композиционных материалов дает производителям ряд преимуществ с точки зрения веса изделия, его прочности, жесткости и других характеристик. Однако при проектировании композитных изделий, производители также сталкиваются и с рядом проблем, которых нет при использовании обычных материалов, таких как металлы. Расслоение, микротрещины, приводящие к возможному разрушению, пористость, особенности выкладки слоев материала и другие факторы, которые не надо учитывать при проектировании изделий из металла, являются очень важными для проектирования композитных конструкций. Трудоемкие и дорогостоящие производственные процессы изготовления делают подход полной отработки изделия на реальных прототипах непрактичным. Поэтому без использования правильных инструментов виртуального проектирования и инженерного анализа выбор оптимального композиционного материала может потребовать значительного времени и ресурсов.

Обширные возможности решений MSC Software для композиционных материалов помогают проектировать, анализировать и совершенствовать сложные композитные конструкции. Инструменты, предлагаемые компанией, идеально подходят для моделирования различных типов композиционных материалов, а именно, слоистые композиционные материалы, сэндвич-панели, армированных пластиков, нанокомпозитов, металлокерамики, и многих других.

Программное обеспечение MSC Software предоставляет пользователям широкие возможности для продвинутого моделирования композиционных материалов:
  • Композиционные материалы, армированные углеродным волокном
  • Слоистые композиционные материалы
  • Моделирование когезионных зон
  • Отверждение и коробление
  • Допустимость повреждения
  • Расслоение
  • Драппировка (выкладка) слоистого композиционного материала
  • Анализ долговечности
  • Анализ стыков внахлест на сдвиг
  • Теории разрушения слоя Хилла, Цай-Ву, Хашина, Пака и другие
  • Трехслойные конструкции с сотовым заполнителем
  • Микро- и макромеханический анализ материалов
  • Многоуровневое моделирование композитных конструкций
  • Нелинейный анализ
  • Моделирование роста трещины
  • Дисперсионно армированные материалы
  • Прогрессирующее разрушение (PFA)
  • Пруженение
  • Нанокомпозиты
  • Анализ напряжений и деформаций в слоях пакета
  • Температурно-зависимые свойства материала
  • Метод виртуального закрытия трещины (VCCT)
Использование решений MSC Software в промышленности:
  • Авиационная и космическая промышленность: Гондолы двигателей, элероны, обтекатели, панели летательных аппаратов, полы, двери, теплозащитные экраны, элементы механизации крыла, руль направления, фюзеляж вертолета, лопасти несущего винта, баллистическая защита.
  • Автомобилестроение: Панели кузова, шасси, бамперы, тормозные диски, кабина водителя, обшивка, приборные панели.
  • Товары народного потребления: Спортивные товары, упаковка, радиаторы для электронных систем, велосипедные рамы, шлемы, мебель, стройматериалы.
  • Энергетика: Лопасти ветряных турбин, панели солнечных батарей, морские платформы, включая толстостенные и подводные трубы, резервуары.
  • Медицина: Протезы, ортопедические устройства, несущие имплантаты, хирургическое оборудование, эндоскопический/лапароскопический инструмент, аспирационные устройства и устройства для санации.

Выявление и устранение на этапе проектирования производственных проблем значительно сокращает затраты на последующее изготовление. .

Например, детали из слоистого композиционного материала требуют драпировки (выкладки) слоев материала. Выкладка материала на криволинейных поверхностях может привести к сдвигу материала, образованию складок и заметному изменению ориентации волокон в слое. Как итог, чрезмерный сдвиг и складки вызовут трудности при изготовлении детали, а значительное отклонение ориентации волокон от желаемой может привести к снижению характеристик детали и даже ее разрушению.

Решения MSC Software решают эту проблему, помогая определить сдвиг и ориентацию волокон в слое для однонаправленных (лента) и тканых материалов при выкладке их на сложные и криволинейные поверхности.

С помощью решений MSC Software пользователю предоставляются широкие возможности по исследование поведения композитных конструкций во всем диапазоне действующих нагрузок и случаев нагружения.

  • Линейная и нелинейная статика
  • Линейные и нелинейные переходные процессы
  • Собственные частоты колебаний
  • Потеря устойчивости в линейной и нелинейной постановке
  • Прямой или модальный частотный отклик
  • Комплексные собственные значения прямым или модальным методом
  • Прямой или модальный переходный процесс
  • Теплопередача
  • Связанный теплопрочностной анализ

Простая процедура настройки контактного взаимодействия позволяет сэкономить значительные усилия при моделировании, обеспечивая при этом надежность и точность моделирования, необходимые при проектировании композитных конструкций.

Неоднородная и часто многослойная природа композитных материалов приводит к тому, что различные механизмы разрушения материала могут влиять на их эксплуатационные характеристики в процессе работы изделия..

Накопление повреждений в материале может быть постепенным, приводя к снижению работоспособности и даже окончательному разрушению.

Пользователям MSC Software доступны современные инструменты для моделирования различных видов разрушения композиционных материалов:

  • Анализ прогрессирующего разрушения (PFA): Моделирование прогрессирующего разрушения композиционного материала с использованием любого из множества доступных критериев разрушения (критерии максимальных напряжений и максимальных деформаций, Хилла, Хоффмана, Цай-Ву, Хашина, Пака, Хашина для ленты и Хашина для ткани).
  • Расслоение: Анализ с помощью метода моделирования когезионных зон деградации прочности и жесткости композиционного материала из-за разрушения связи между слоями.
  • Рост трещин: Моделирование распространения трещин с использованием метода виртуального закрытия трещин (VCCT) для проектирования изделий с бо`льшим сопротивлением к образованию и росту трещин.

Решение MSC Software позволяет пользователям оптимизировать свои конструкции, экономить время и материальные ресурсы для получения эффективных изделий.

Композитные материалы могут разрабатываться для каждого из изделий. Однако проектирование методом проб и ошибок с физическим прототипированием может оказаться очень затратным процессом. Решение компании MSC Software для оптимизации позволяет пользователям оптимизировать свои конструкции и сокращать затраты на материал за счет минимизации веса и поиска укладок с оптимальной ориентации слоев в них.

Воспользовавшись полным набором возможностей для оптимизации, включая параметрическую оптимизацию, топологическую и оптимизацию формы, пользователи могут быстрее создавать свои инновационные изделия.

Программный комплекс Digimat позволяет пользователям выполнить на микроуровне анализ композиционных материалов для точного определения их механических, термических и электрических свойств. Полученные свойства используются на макроуровне во всех видах последующего анализа методом конечных элементов.

Например, в случае изделий, получаемых литьем под давлением или формованием, пользователи начинают проектирование со сбора информации о материале и данных об ориентации армирующих волокон в детали из Moldflow, 3D-Sigma, Moldex3D, Simpoe или другого решения для моделирования технологического процесса изготовления. Модуль Digimat-MAP передает данные о тензоре ориентации волокон, остаточные напряжения, температуру, линии спая и другие параметры на конечно-элементную сетку для последующего структурного анализа в одной из программ расчета методом конечных элементов, например, MSC Nastran или Marc.

Пользователи также могут воспользоваться возможностями других модулей Digimat, например Digimat’s MF, MX, FE modules для виртуальной разработки и испытаний композиционного материала, а также выбора оптимального материала для своего изделия.

Related Products: 

Digimat

Виртуальная лаборатория для моделирования многофазных материалов и композитных конструкций

Dytran

Моделирование быстропротекающих существенно нелинейных динамических процессов, а также комплексных взаимодействий жидкость-конструкция

Marc

Многодисциплинарный нелинейный анализ

MSC Apex

Платформа нового поколения для инженерного компьютерного моделирования и анализа

CAEfatigue

FE Based Fatigue, Durability & Random Response Solution

MSC Nastran

Прочность, динамика, долговечность, оптимизация

Patran

Универсальный графический пользовательский интерфейс