Применение моделирования при разработке технологий изготовления конструкции из ПКМ

В настоящее время полимерные композиционные материалы являются неотъемлемой частью многих отраслей промышленности, так как имеют ряд преимуществ перед традиционными материалами. К таким в первую очередь относятся: низкий вес, высокие удельные характеристики, возможность создания цельных крупногабаритных конструкций сложной формы и высокая химическая стойкость. Однако изготовление подобных конструкций сопряжено с рядом трудностей. На стадии проектирования изделия необходим обоснованный выбор того или иного армирующего материала, укладки, связующего, оснастки, пресса и так далее. Кроме того, существует риск возникновения брака на различных этапах изготовления.

Для более подробного анализа и предотвращения образования различного вида дефектов многие компании используют компьютерное моделирование процесса изготовления изделия из композиционного материала. Одним из лидеров в разработке подобных программных комплексов является французская компания ESI Group с решением PAM-COMPOSITES. Данный инструмент позволяет выявлять и устранять многие проблемы еще до производства реального изделия.

Моделируемые технологии

Линейка PAM-COMPOSITES обладает достаточно широким набором решений, при помощи которых пользователь имеет возможность анализировать технологию производства композитного изделия. К таким технологиям относятся:

• Вакуумная инфузия,
  
• Light RTM, Heavy RTM, C-RTM процессы,
  
• Автоклавное формование,
  
• Печное отверждение,
  
• Термоформовка,
  
• SMC формование,
  
• Ткачество и намотка.
  

Рисунок 1. Модель композита в оснастке

Данная программная линейка представляет из себя единую среду для постановки, расчета и анализа задач, связанных с производством изделий из композитов. Для расчета технологии требуется наличие твердотельной CAD модели изделия любого из основных форматов (prt, iges, step, parasolid и так далее), набор свойств, зависящий от типа моделируемой технологии, и граничные условия.

Сходимость результатов расчета с экспериментом напрямую зависит от точности начальных данных. Поэтому особое внимание следует уделить точному определению входных характеристик материалов. В зависимости от сложности выбранного процесса (RTM–пропитки, вакуумной инфузии или автоклавного формования), расчета полимеризации изделия и так далее, увеличивается и количество входных данных (свойств материалов).

Методология моделирования изделий в PAM–COMPOSITES

При проведении моделирования рекомендуется придерживаться следующего плана:

• Идентификация. Определение свойств материалов: теплофизических, физико-механических характеристик и так далее.
  
• Верификация. Подтверждение соответствия определенных ранее свойств материалов и отладка расчетной модели в ESI PAM–COMPOSITES. Обычно проводится на элементарном или конструктивном образце. Сравнение численных и стендовых результатов.
  
• Проведение и анализ расчетов.
  

Рисунок 2. Линейка основных решений по композитам от ESI-Group

Рисунок 3. Результаты моделирования

Рисунок 4. Методология проведения исследования конструкции на основе расчетных методов

При проведении исследования конструкции расчетным методом рекомендовано придерживаться следующей схемы: моделирование начинается с расчета элементарного образца, затем проводится расчет элемента, компонента и затем — расчет полного изделия.

Таким образом, применение численного моделирования помогает достичь высокого качества изделия и улучшить понимание процесса производства. Такой подход к созданию композитных деталей расширяет возможности проектирования, удешевляя процесс изготовления конструкций новыми технологиями и помогая изготавливать конкурентно способные изделия из композитов.