Issuu on Google+

Программные технологии ANSYS для инженерного анализа конструкций из композиционных материалов

Черняев Александр к.т.н., инженер по прочностным расчетам конструкций из композиционных материалов Alexander.Chernayev@cadfem-cis.ru 1

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


План доклада

Моделирование конструкций из КМ в среде ANSYS APDL

Моделирование конструкций из КМ средствами ANSYS Composite PrepPost

2

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Композиционные материалы

3

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Композиционные материалы 1. Неоднородность 2. Анизотропия свойств 3. Слоистая структура

4

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Опции, необходимые для расчета конструкций из композиционных материалов 1. Учет анизотропии материала

2. Задание характеристик сечения многослойной конструкции 3. Библиотека слоистых элементов 4. Наличие критериев прочности для композиционных материалов 5. Возможности «послойной» визуализации в пре- и постпроцессинге

6. Учет влияния особенностей технологии изготовления композитной конструкции на ее прочностные свойства 5

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Задание свойств материала

Задание свойств монослоя как ортотропного материала: 9 упругих постоянных

6

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Задание характеристик сечения Укладка

7

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Задание характеристик сечения Коэффициенты матрицы жесткости

8

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Библиотека элементов SHELLS

• SHELL99 SHELL91 SHELL181

SOLIDS

• SOLID186 SOLID46 SOLID191 SOLID95

SOLID-SHELL BEAMS

9

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.

• SOLSH190

• BEAM188 BEAM189


Библиотека элементов: SHELL181 • 4-узловой элемент оболочечный с 6 степенями свободы в каждом узле • применяется для моделирования тонкостенных слоистых оболочек • позволяет задавать до 255 слоев • поддерживает опцию прямого введения коэффициентов матрицы жесткости

• может быть использован в нелинейных расчетах (включая большие деформации и нелинейность материала)

10

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Библиотека элементов: SOLSH190 • 8-узловой элемент с тремя степенями свободы в каждом узле • может быть использован для моделирования оболочек различной

толщины (от очень тонких до оболочек средней толщины) • позволяет задавать до 250 слоев • может быть использован в нелинейных расчетах (включая большие деформации и нелинейность материала) • используется там, где топология конструкции не позволяет использовать оболочечные элементы

11

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Библиотека элементов: SOLID186 • 20-узловой элемент с тремя степенями свободы в каждом узле • предназначен для моделирования толстых оболочек • позволяет задавать до 250 слоев • поддерживается задание укладок через диалоговое окно

12

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Элементы когезионной связи

13

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Критерии прочности • Поддержка трех встроенных критериев: •Критерий максимальных деформаций •Критерий максимальных напряжений •Критерий Цая-Ву

• Возможность использования до 6 критериев, определенных пользователем

14

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Просмотр результатов Возможность «послойного» просмотра результатов расчета

15

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


ANSYS Composite PrepPost

16

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Задание свойств материалов

17

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Задание характеристик элементарного слоя

18

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Задание характеристик технологической композиции слоев

19

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Определение характеристик сложных укладок

Однонаправленный слой

Препрег-композиция

20

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


База данных материалов

21

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Присвоение слоев зонам конструкции

22

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Определение направления 0 градусов

23

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Возможности визуализации

24

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Возможности визуализации

Визуализация сечений

25

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.

Визуализация отдельных слоев


Генерация отчетов об укладке слоев

Форматы: *.html, *.pdf, *.odt, *.txt

26

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Анализ прилегания к поверхности формы

Ткань

27

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.

Материал без сдвиговой жесткости

Бумага


Анализ прилегания к поверхности формы Необходимость в анализе прилегания определяется следующим причинами: 1. Возможность оценки ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ проектируемого изделия; 2.

28

Учет ИЗМЕНЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ВОЛОКОН.

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Изменение направления волокон

29

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


2D  3D элементы Трехмерная КЭМ может быть создана путем «выдавливания» оболочечных элементов с заданной укладкой. Существуют 2 опции: 1. Определение укладки в пределах одного трехмерного элемента; 2. Автоматическое представление каждого слоя ОТДЕЛЬНЫМ трехмерным элементом (при необходимости определения межслойных напряжений)

30

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Критерии прочности 1. Критерий максимальных деформаций

2. Критерий максимальных напряжений 3. Критерий Цая-Хилла 4. Критерий Цая-Ву 5. Критерий Хоффмана

6. Критерий Хашина 7. Критерий Пука 8. Критерий Langley Research Center

31

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Критерии разрушения трехслойных оболочек

32

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Быстрая визуализация критических областей

33

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Послойный просмотр результатов

34

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Просмотр результатов

35

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Индикация критерия прочности, предсказавшего разрушение, и определение формы разрушения Критерий Puck’а Разрушение матрицы от растяжения

pmA(1)(1) Номер слоя Номер случая нагружения

36

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Обмен данными

• *.XML  ESA Comp • *.CSV  CAD-системы, MS Excel • *.H5  CAE и CAD-системы, например FiberSIM

37

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Импорт данных из FiberSIM в ANSYS I. Импорт геометрической модели изделия

Материал по умолчанию

Импортируемая геометрическая модель

38

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Импорт данных из FiberSIM в ANSYS II. Построение КЭМ изделия

Вид изделия в ANSYS Mechanical

39

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.

Построение сетки


Импорт данных из FiberSIM в ANSYS III. Среда Composite PrepPost

Материалы

Файл формата *.H5

Укладка

40

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Импортированные слои

41

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Отображение импортированной укладки

42

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Выбор критериев прочности

2 1

3 43

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Выполнение расчета изделия

2 1 3 *.rst файл с результатами расчета

44

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Просмотр результатов расчета

45

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Просмотр результатов расчета

46

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Просмотр результатов расчета Слой 90 град.

Слой 60 град.

Слой 0 град.

47

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Добавление слоев Слой 90 град. Слой 60 град.

Слой 0 град.

48

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Добавление шпангоутов Слой 90 град.

49

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Добавление шпангоутов

50

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Добавление шпангоутов

51

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Добавление шпангоутов

Структура полок и стенки шпангоута

52

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Экспорт результатов в FiberSIM Composite PrepPost

Файл *.H5

53

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.

DesignModeler

Файл *.igs


Оптимизация стрингерной панели из композиционного материала Цель: определить толщины слоев (первого приближения) в обшивке и стрингерах, обеспечивающие минимальную массу панели при удовлетворении ограничений по прочности (критерий максимальных напряжений) и устойчивости

54

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Структура проекта

55

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Группы слоев

2 группы слоев – стрингеры и обшивка 56

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Свойства материала

Материал - равнопрочная углеткань 57

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Укладка слоев

58

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Укладка слоев в стрингерах

59

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Расчет на статику и устойчивость

60

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Изменения, внесенные в ANSYS Composite PrepPost

61

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Параметризация «вручную»

Сечение каждого элемента задано с учетом введенных вручную параметров 62

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Добавление параметрической модели в проект

Параметрическая модель

Оптимизация в Design Xplorer 63

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Точки для построения поверхности отклика

64

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Поверхности отклика

ЗАПАС УСТОЙЧИВОСТИ

ПРОЧНОСТЬ

МАССА

65

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Чувствительность

LAMBDA - ЗАПАС УСТОЙЧИВОСТИ RMAXSTRFC – МАКСИМАЛЬНЫЙ КРИТЕРИЙ ПРОЧНОСТИ MTOTAL – МАССА КОНСТРУКЦИИ 66

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Оптимизационная модель и результаты оптимизации

Оптимальная толщина слоев в обшивке и стрингерах

LAMBDA - ЗАПАС УСТОЙЧИВОСТИ RMAXSTRFC – МАКСИМАЛЬНЫЙ КРИТЕРИЙ ПРОЧНОСТИ MTOTAL – МАССА КОНСТРУКЦИИ 67

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


Спасибо за внимание !

68

© 2011 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc.


CompositePrepPost_Vyatichi