NOWOCZESNE METODY ANALIZY
KOMPOZYTÓW LAMINATOWYCH

Spośród nowoczesnych materiałów inżynierskich jedynie kompozyty stwarzają możliwość swobodnego kształtowania własności. Nie są one jednak łatwym materiałem do opanowania, zwłaszcza jeśli oczekujemy wysokiej wytrzymałości wyrobu końcowego. Metody analityczne zawodzą w wielu przypadkach z powodu skomplikowanego kształtu i trudnych do określenia własności lokalnych. W takich przypadkach jedynym rozsądnym rozwiązaniem jest analiza numeryczna, np. przy użyciu Metody Elementów Skończonych. Na przestrzeni lat w centrach rozwojowych oprogramowania ANSYS wynaleziono, sprawdzono oraz zaimplementowano wiele specjalistycznych technik analizy kompozytów. Z szerokiego wachlarza możliwości oprogramowania ANSYS, obejmującego między innymi symulacje wtrysku i wytrzymałości tworzyw sztucznych ze zbrojeniem, gum i elastomerów z insertami, mikro i nanokompozytów czy materiałów porowatych, skupimy się na wirtualnych testach konstrukcji laminatowych. Dla przygotowania oraz ich symulacji ANSYS dostarcza specjalistyczne narzędzie ANSYS Composite PrePost (w skrócie ACP)

Laminaty stanowią bardzo ważną grupę materiałów kompozytowych. Ich niewielka cena i łatwość kształtowania w połączeniu z potencjalnie wysokimi własnościami wytrzymałościowymi powoduje, że spektrum ich zastosowania roztacza się od wykorzystania domowego do zaawansowanych zastosowań kosmicznych.

Kierunkowość właściwości pojedynczych włókien zbrojenia zatopionych w podatnej osnowie połączone z ich wielowarstwowym przestrzennym ułożeniem powoduje anizotropię właściwości powstałego materiału. Różnica w własnościach materiałowych składników, głównie w sztywności, wytrzymałości i rozszerzalności cieplnej, wraz z nieciągłością materiału pomiędzy lepiszczem a wzmocnieniem, rodzi znacznie bardziej skomplikowane postacie uszkodzeń niż w przypadku homogenicznych materiałów izotropowych. Z uwagi na niezliczoną ilość kombinacji producenci są zmuszeniu przeprowadzać badania wytrzymałości każdego nowego materiału. Projektowanie własności materiału może być wspomagane także oprogramowaniem jak ESAComp czy EX-digimat. Narzędzia te pozwalają na przeprowadzanie wirtualnych testów materiałowych, np. zginania czy ścinania, w rezultacie na określenie współczynników anizotropii potrzebne w symulacji.

ACP umożliwia graficzne wybieranie i przyporządkowywanie właściwości laminatowych zbiorom elementów skończonych. Podczas produkcji często jednak pojawią się problemy technologiczne. Na przestrzennych konstrukcjach dochodzi do zmiany ułożenia włókien w stosunku do projektowanego, tak że są one inne przed i po nałożeniu warstw. Problem jest tym większy, im większa jest krzywizna i rozmiar nakładanej łaty. Aby zapobiec błędom przeprowadza się w ACP symulację nakładania, ang. ?draping simulation?. Wszystkim operacjom towarzyszy zapis skryptu umożliwiający późniejszą optymalizację.

Model siatki wraz z obciążeniami zostaje pobrany z środowiska ANSYS lub Workbench. Po nałożeniu laminatu, model można wykorzystać do symulacji termicznej, wytrzymałości lub dynamiki bezpośrednio z ACP. Dla wymagających istnieje możliwość eksportu pliku cdb do klasycznego programu ANSYS.

Przy źle dobranych właściwościach lub zbyt dużych obciążeniach może nastąpić złamanie lub ścięcie zbrojenia jak i pęknięcie osnowy. Zmiany kierunków głównych między warstwami w obecności obciążenia przyczyniają się do powstawania dużych naprężeń rozciągających na grubości laminatu. Rodzi to możliwość delaminacji i rozwarstwienia. Naprężenia ścinające mogą powodować także mikro-wyboczenie włókien a nawet permanentne ścięcie laminatu. Wnioskowanie komplikuje się, gdy występuje przestrzenny stan naprężenia. Jest to konsekwencją skomplikowanych kształtów, połączeń jak również występujących schematów obciążenia. W takich przypadkach oszacowanie powstania uszkodzeń należy oprzeć o hipotezy wytrzymałości laminatów. Ugruntowanymi w przemyśle są hipotezy Tsai-Wu i Tsai-Hill. Jednak przewidują one jedynie możliwość uszkodzenia. Bardziej dokładne wyniki uzyskuje się używając hipotez: Pucka, Hashina lub LaRC. Prócz prognozowania możliwości uszkodzenia, określają także jego postać. W laminatach typu sandwicz dodatkowo może dochodzić do lokalnego wyboczenia poszycia okrywającego podatny rdzeń, jak również uszkodzenia samego rdzenia np. przez zgniecenie. W ACP możliwa jest analiza konstrukcji pod kątem przekroczenia limitów dowolnej z hipotez w jednym podejściu. Wyznaczone wskaźniki bezpieczeństwa dla uszkodzenia pierwszej warstwy (ang. First Layer Failure) wskazują również na postać uszkodzenia. Po wykonaniu symulacji wszystkie istotne dane projektowe, jak np. przyjęte wielkości krojów mat, ale i wyniki można wyeksportować w postaci przejrzystego automatycznego raportu.

Zastosowanie programów opisanych w artykule ma szczególne uzasadnienie wszędzie tam, gdzie istotne jest wyprodukowanie produktu bezpiecznego. Ma to kapitalne znaczenie w budownictwie, przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym. Świadome używanie przedstawionych narzędzi umożliwia uzyskanie wiedzy o konstrukcji potrzebnej do ich optymalizacji, zarówno pod kątem kosztów wytwarzania, jak i obsługi serwisowej.