Современные методы проектирования конструкций из композиционных материалов

Источник: unsplash.com

Композиты представляют собой материалы, состоящие из двух или более компонентов с существенно различающимися свойствами. Поскольку они отличаются высокими значениями удельной прочности, жесткости, а также технологичностью, композиционные материалы нашли широкое применение при изготовлении различных конструкций, включая изделия сложной формы, такие как корпуса автомобилей или крылья самолетов.

Основной задачей на этапе разработки изделия из композиционного материала является предсказание того, насколько оно будет способно функционировать в заданных условиях эксплуатации. Это требует учета напряжений и деформаций, возникающих в конструкции, а также расчета различных критериев прочности. При этом определяются не только предельные напряжения и прогрессирующее разрушение, но и моделируются процессы, связанные с расслоением, образованием и ростом трещин, а также целый ряд других физических эффектов.

Решение компании ANSYS, Inc. для моделирования конструкций из композиционных материалов — Ansys Composite PrepPost™ — дает возможность моделировать сложные композитные конструкции, позволяя конструктору понять и оценить потенциальные механизмы разрушения, включая развитие повреждений, расслоение и образование трещин.

Ansys Composite PrepPost предоставляет весь набор функциональных возможностей, необходимых для моделирования конструкций из слоистых композиционных материалов. Интуитивно понятный интерфейс CPP позволяет легко и эффективно назначать материалы различным слоям конструкции, определять положение и последовательность укладки слоев. Также на выбор пользователя предлагается большой набор современных критериев прочности. При этом МКЭ-решатели Ansys обеспечивают основу для получения высокоточных результатов анализа, базируясь на которых, в среде Composite PrepPost могут быть рассчитаны интересующие критерии прочности.

Возможности постпроцессинга Ansys Composite PrepPost позволяют детально изучить поведение изделия при нагружении. Пользователь может просматривать результаты как в общем, для всей конструкции, так и детально — на уровне отдельного слоя.

Отличительной особенностью Ansys Composite PrepPost является наличие уникальных алгоритмов для моделирования складкообразования (драпировки), что позволяет учитывать в расчете реальную ориентацию волокон в слоях, даже в случае сложной геометрической формы изделия.

Моделирование конструкций из композиционных материалов

При разработке модели композитной конструкции определяются свойства материала слоев, задается тип наполнителя (однонаправленная лента, ткань ортогонального или мультиаксиального плетения и пр.).

Фрагмент CAD-модели вертолета SKYe SH09

Инструментарий Ansys Composite PrepPost позволяет легко и правильно определить направление «ноль градусов» для конструкции из слоистого композита за счет целого ряда специализированных инструментов для создания и ориентации систем координат. Это особенно актуально для изделий сложной формы. Кроме того, Ansys Composite PrepPost упрощает построение моделей конструкций большой кривизны и конструкций, для которых характерны сильные изменения ориентации волокон. Это дает возможность предсказывать образование складок и проводить коррекцию углов армирования, учитывающую кривизну формы изделия.

Расчет напряженно-деформированного состояния композитного фюзеляжа вертолета

Ansys предлагает большую библиотеку конечных элементов, которые могут использоваться для создания моделей слоистых конструкций, включая одномерные (балки и трубопроводы), двумерные (оболочки и элементы типа «solid- shell») и трехмерные элементы. Для изделий сложной пространственной формы, Composite PrepPost позволяет автоматически генерировать трехмерные конечно-элементные модели на основе идеализированных оболочечных моделей. Это преобразование может осуществляться путем вытягивания плоских элементов вдоль направления нормали к формообразующей поверхности или вдоль другого направления, соответствующего конкретной геометрии.

Технология слоистых элементов позволяет назначать укладку, состоящую из многих слоев, одному элементу. Поведение композитов, как правило, описывается моделью ортотропного или даже анизотропного материала. Слоистые элементы в Ansys, помимо этих, поддерживают также различные модели гиперупругих материалов. Для расчета композитных конструкций могут использоваться как неявные, так и явный решатель Ansys.

Расслоение в результате действия усилий поперечного сдвига и растяжения может быть смоделировано, исходя из величины межслоевых касательных напряжений. Для предсказания прочности используются критерии максимальных напряжений и деформаций Цая-Ву (Tsai-Wu), Цая-Хилла (Tsai-Hill), Хашина (Hashin), критерий Langley Research Center (LaRC), критерии Кунце и Пака (Puck).

Критерии максимальных напряжений Цая–Хилла и Цая–Ву не несут информацию о том, что произошло в монослое — разрушилась матрица или волокно. При этом разрушение матрицы отдельно взятого монослоя не всегда ведет к исчерпанию его несущей способности, и пакет материала может продолжать нести возрастающую нагрузку. Поэтому более широкое распространение получили критерии, в которых раздельно анализируются запасы прочности как матрицы, так и волокна, например, критерии Хашина или Пака.

Элементы композитного фюзеляжа вертолета SKYe SH09 швейцарской фирмы Kopter (Marenco Swisshelicopter)

Технологии Ansys позволяют моделировать явления на уровне микромеханики композитов, связанные с разрушением границы раздела межу волокном и связующим, используя специальные модели поведения когезионной зоны. Для моделирования роста трещин используется технология VCCT (Virtual Crack Closure Technique). Инициация и развитие повреждений в композиционном материале может моделироваться в Ansys для оценки разрушающих нагрузок при сложном напряженном состоянии.

Для анализа результатов решения в модуле реализована уникальная возможность комплексной оценки модели по нескольким критериям разрушения. В результате выводятся данные по самым проблемным зонам конструкции и вариантам нагружения.

Проектирование с учетом технологичности

Решения Ansys позволяют оптимизировать технологические процессы, гарантируя, что проектируемое изделие отвечает производственным требованиям. Composite PrepPost поддерживает передачу укладок через формат данных HDF5 в такие программные продукты, как FiberSIM (Siemens PLM Software) и AniForm, которые используются для доработки моделей изделия с учетом технологических требований на ранних стадиях проектирования. Модели, созданные в Composite PrepPost, также могут легко обновляться с учетом данных, полученных из FiberSIM и AniForm. Совместное использование Composite PrepPost и FiberSIM обеспечивает согласованную прочностную и технологическую проработку изделия.