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

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.

Производство

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.

Анализ напряженно деформированного состояния

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.

Анализ разрушения

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.

Оптимизация конструкции

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.

Многоуровневое моделирование материалов

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.

MSC Software Corporation