La funzionalità di analisi dei compositi è stata a lungo abilitata da potenti solutori come Abaquse il principale strumento di progettazione dei compositi è CATIA V5 (o 3DEXPERIENCE CATIA). Entrambe le soluzioni sono leader del settore, e l’avvento della 3DLa Piattaforma EXPERIENCE ha permesso di unire queste funzionalità in un’unica soluzione per una Modellazione e Simulazione (MODSIM) un flusso di lavoro unificato per tutte le sue esigenze in materia di compositi. Questo articolo si concentra sull’analisi dei compositi sul 3DPiattaforma EXPERIENCE ed è destinata ad essere un’aggiunta al blog di progettazione di CATIA compositi. qui.
Perché simulare i materiali compositi?
I compositi sono uno dei materiali più popolari in quasi tutti i settori in cui i progetti ad alta resistenza e leggerezza sono cruciali, tra cui l’aerospaziale, l’automobilistico, i beni di consumo e persino il settore medico. Per innovare in questi campi in rapida evoluzione, il semplice utilizzo dei compositi non è sufficiente. Le strutture in composito devono essere convalidate e testate per le prestazioni; qui entra in gioco la simulazione.
Lo sviluppo di utensili o prototipi di strutture in composito è costoso, rendendo la validazione tramite test distruttivi molto meno interessante. In molti casi, è più facile simulare la struttura all’inizio della fase di progettazione, per ridurre la necessità di test fisici.
Perché la simulazione dei compositi è difficile?
Le strutture composite tradizionali a strati o a nastro unidirezionale sono di natura ortotropa o anisotropa. In parole povere, questo significa che la rigidità del materiale è dissimile nelle diverse direzioni e può essere diversa anche in trazione e compressione.
Ciò si rivela particolarmente difficile per la simulazione. La maggior parte dei dati sui materiali per Analisi agli elementi finiti (FEA) deriva da test di tensione uniassiale, in cui il materiale viene allungato e il carico viene misurato insieme alla quantità di deformazione del materiale. Questo genera una curva di sollecitazione-deformazione che può essere utilizzata per la simulazione.
Nel caso dei compositi, ogni progetto avrà una propria pila di stratificazione, il che significa che ogni progetto potrebbe richiedere almeno tre test fisici separati per caratterizzare il materiale. Questo ha tradizionalmente reso la caratterizzazione del materiale delle strutture in composito irraggiungibile per molte aziende più piccole.
Questo blog dimostrerà come 3DEXPERIENCE sta cambiando questo panorama con una potente integrazione della progettazione e dell’analisi dei compositi sotto un unico tetto.
I potenti strumenti FEA come Abaqus hanno una lunga storia di analisi accurata dei compositi. Ciò è possibile grazie ad alcune tecnologie chiave.
Per prima cosa, discutiamo la parte più difficile della modellazione qualsiasi struttura composita – modellando correttamente il comportamento del materiale.
Modellazione macroscopica dei materiali
Abaqus e 3DEXPERIENCE SIMULATION può consentire un comportamento del materiale completamente anisotropo su scala macroscopica. Ciò significa che il materiale composito viene modellato come un materiale omogeneo con proprietà di rigidità che cambiano in base alla direzione del carico. Questi strumenti consentono all’utente di definire le proprietà del materiale del layup composito all’interno dello strumento di simulazione in vari modi, in base alle proprie esigenze. Questi quattro tipi di elasticità anisotropa sono:
- Le proprietà del materiale ortotropo possono essere inserite inserendo il modulo elastico, il modulo di taglio e il rapporto di veleno in tutte e tre le direzioni ortotrope.
- Le Proprietà della Lamina possono essere inserite come una formulazione di sollecitazione piana, utilizzando solo le proprietà in-plane e trasversali per l’elasticità, un singolo rapporto di veleno e il modulo di taglio in tutte e tre le direzioni (più comunemente usato per i gusci laminati).
- I materiali perfettamente ortotropi devono definire esplicitamente tutti i termini non nulli nella matrice del materiale ortotropo.
- I materiali perfettamente anisotropi devono definire esplicitamente tutti i termini non nulli nella matrice del materiale anisotropo. matrice del materiale.
3DEXPERIENCE ci permette di mappare i dati del progetto composito da CATIA per un collegamento diretto alle informazioni sul drappeggio, sull’orientamento delle fibre e sul layup, che consente di calcolare la complessa matrice strutturale (per saperne di più in seguito).
Modellazione micromeccanica dei materiali
Con questo approccio, i materiali di rinforzo delle fibre e della matrice sono modellati separatamente come corpi deformabili. Anche se questo metodo produrrà probabilmente i risultati più robusti, la modellazione di ogni fibra di una struttura composita individualmente e la simulazione delle interazioni di contatto tra queste fibre e la matrice composita diventano rapidamente troppo impegnative dal punto di vista computazionale per essere praticabili su una scala significativa.
Cella unitaria di una delaminazione a matrice di fibre. Immagine per gentile concessione di Dassault Systèmes™.
In 3DEXPERINCE SIMULATION, l’utente può invece dettare i parametri di rinforzo delle fibre che, una volta combinati, creano un Elemento di Volume Rappresentativo (RVE) del materiale composito ed estrapolano quel piccolo volume per determinare le caratteristiche del materiale della struttura composita su scala più ampia. Ciò consente all’utente di definire in modo rapido e semplice le proprietà complesse del materiale composito, inserendo alcuni semplici parametri.
Modelli di FAILURE
Il cedimento di un composito avviene generalmente in una delle due modalità di cedimento. O si verifica un cedimento nei singoli strati (strati) a causa di un eccesso di tensione, compressione o taglio, oppure si verifica una delaminazione tra gli strati stessi.
Immagine per gentile concessione di Dassault Systèmes
La SIMULAZIONE ha la capacità di modellare il momento di rottura in un determinato strato. Questo parametro di innesco del danno può essere definito in uno dei seguenti modi:
- Teoria delle sollecitazioni massime – Criteri di rottura semplici basati sulle sollecitazioni, che misurano ogni componente della sollecitazione direzionale e la confrontano con un limite di sollecitazione definito. Questa teoria non prevede alcuna interazione tra le diverse direzioni dei componenti di sollecitazione, quindi l’accuratezza è limitata.
- Teoria della deformazione massima – Un semplice criterio di rottura basato sulla deformazione che misura i componenti di deformazione direzionale rispetto a limiti definiti.
- Teoria di Tsai-Hill – Questo modello è un’estensione del modello del criterio di snervamento Hill sviluppato da Rodney Hill. Il criterio di rottura Tsai-Hill è un modello semplice utilizzato per prevedere la rottura nella lamina composita.
- Teoria di Tsai-Wu – Questo modello di cedimento è stato introdotto in seguito per ammorbidire la forma dei criteri di Tsai-Hill. Questo modello può fornire risultati più accurati rispetto a Tsai-Hill quando viene confrontato con i dati sperimentali, ma la differenza di solito non è grande.
Modellazione mista
Queste due modalità di guasto di base sono ulteriormente complicate dal fatto che il guasto non si verifica sempre in uno degli strati estremi (interno/esterno) del composito. Pertanto, tutti gli strati devono essere modellati in modo discreto. Per tenere conto di questo, La SIMULAZIONE utilizza una formulazione di modellazione mista della struttura composita. Ogni singolo strato è caratterizzato da uno dei metodi anisotropici elencati sopra, e poi impilato in base al progetto della struttura. Ciò consente una rappresentazione della rigidità molto robusta, guidata dal processo di progettazione del composito.
Gusci di spessore non uniforme
La maggior parte delle strutture composite sono molto sottili rispetto alle loro dimensioni principali, il che significa che è vantaggioso utilizzare elementi shell per aumentare l’efficienza del solutore. Tuttavia, molte strutture in composito possono avere strati di stratificazione aggiuntivi nelle aree ad alta sollecitazione, per ridurre la probabilità di fallimento. Molti strumenti di simulazione presuppongono che un elemento conchiglia abbia uno spessore unico e uniforme in tutto il corpo, ma questo non è il caso di Abaqus. Gli spessori dei gusci possono essere mappati su dati spaziali creati dall’utente, o anche essere collegati alla geometria CAD 3D di CATIA stessa.
Collegamento al progetto
Dassault Systèmes™ è leader nel settore degli strumenti di progettazione dei compositi e degli strumenti di analisi agli elementi finiti. Per molti anni, questi strumenti sono esistiti in silos scollegati. La piattaforma 3DEXPERIENCE ha rivoluzionato il settore collegando i progettisti di compositi e gli analisti. I progettisti possono utilizzare la piattaforma CATIA e indirizzare la definizione del materiale composito stratificato direttamente agli strumenti di simulazione alimentati da Abaqus. solutore.
Come funziona
I materiali coinvolti nel dominio di progettazione dei compositi possono essere caratterizzati come unidirezionali, bidirezionali, con tessuto non grippante o non strutturale. Questi materiali includono anche rapporti di spessore polimerizzati e non polimerizzati, limiti di deformazione e altre variabili. La cosa più importante per la simulazione sono le definizioni di direzionalità, in quanto influenzano la definizione di rigidità anisotropa.
Da lì, i singoli materiali sono collegati ai parametri di simulazione tramite il ‘reindirizzamento’ del collegamento del materiale, che combina la definizione del materiale del dominio composito con le proprietà del materiale del dominio di simulazione.
Da qui, l’analista può collegarsi alle proprietà corrette del composito, come discusso in precedenza. Ecco un esempio di definizione di materiale composito per la simulazione. Questo reindirizzamento del collegamento al materiale è necessario solo per l’impostazione iniziale del modello. Qualsiasi modifica alla geometria, agli strati o all’orientamento verrà aggiornata di conseguenza.
Il passo successivo consiste nel combinare la definizione geometrica dei compositi con le proprietà del materiale create in precedenza. Questo avviene attraverso una definizione di sezione nella cartella Creazione del modello strutturale app.
Scegliendo un corpo con informazioni di progettazione composite, l’utente può selezionare una serie di modi per mappare le informazioni di stratificazione composite sulla mesh strutturale, a seconda di quale sia più appropriato per il flusso di lavoro di progettazione utilizzato.
Questo uno box è il principale elemento di differenziazione tra 3DEXPERIENCE e altre soluzioni di progettazione e analisi dei compositi. La capacità di prevedere il drappeggio, la deformazione e altre imperfezioni derivanti dalla produzione di compositi e poi di MAPPARE queste imperfezioni in un modello strutturale per l’analisi agli elementi finiti è una svolta per chiunque lavori con strutture composite stratificate.
Da qui, l’impostazione del modello FEA non è diversa da quella di qualsiasi altro materiale. Sfruttando il fantastico Abaqus permette all’utente di risolvere qualsiasi cosa, da un’analisi di base statica o di frequenza di risonanza fino a studi espliciti di impatto dinamico o di test di caduta.
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