Szukaj Logowanie Kontakt
             Kontakt Blog Kalendarz

  ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Polska ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ansys logo czarne tlo SMALL ANSYS Logo cropped 164px
    ANSYS Elite Channel Partner

deform36000

Materiały kompozytowe wykorzystywane są obecnie niemalże w każdej dziedzinie przemysłu. O ile w przemyśle wysokich technologii obliczenia struktur kompozytowych zbrojonych włóknem ciągłym prowadzi się już niemal rutynowo za pomocą MES, o tyle w innych gałęziach przemysłu najczęściej obieraną ścieżką jest wykonanie badań niszczących prototypu dla oceny jego wytrzymałości. W niniejszym artykule przedstawimy możliwość wykorzystania obliczeń MES do oceny stopnia deformacji komponentu kompozytowego po jego wyjęciu z formy, w której zachodziło utwardzanie termiczne osnowy.

Modelowanie struktur kompozytowych w oprogramowaniu ANSYS funkcjonuje już od wielu wersji - w postaci narzędzia ACP (ANSYS Composite PrepPost). Narzędzie to umożliwia modelowanie takich struktur w sposób zbliżony do techniki wytwarzania i bardziej wymaga znajomości procesu produkcji niż wiedzy w obszarze MES. Dodatkowo w tym samym środowisku po wykonaniu obliczeń można przeprowadzić zaawansowany postprocessing wyników, włącznie z oceną stanu wytężenia kompozytu za pomocą różnych hipotez, stosownie do zagadnienia. Zakres możliwości ACP jest znacznie bardziej rozbudowany niż wynika to z powyższej wzmianki, stąd w ofercie szkoleń prowadzonych przez MESco przewidziano 2 dni zajęć w tym środowisku.

Schemat analizy wytrzymałościowej dla struktury kompozytowej za pomocą MES w środowisku ANSYS Workbench można przedstawić nastepująco:

  • wczytanie geometrii, zamiana elementów kompozytowych na powłoki oraz wygenerowanie siatki elementów skończonych
  • zdefiniowanie materiałów lamin oraz materiałów izotropowych
  • modelowanie struktury w ACP-Pre
  • Obliczenia w ANSYS Mechanical lub innym środowisku (np. LS-Dyna) dla zadanych stanów obciążenia
  • Postprocessing i ocena stopnia wytężenia w ACP-Post

Powyższy schemat dotyczy sprawdzenia stanu wytężenia konstrukcji w zadanych warunkach obciążenia, nie odpowiada natomiast na pytanie jak proces wytwarzania wpływa na wstępne deformacje i naprężenia resztkowe w strukturze. Jest to ważny punkt również w przypadku wytwarzania elementów kompozytowych nieobciążonych, które mają pełnić np. charakter estetyczny: wszelkiego rodzaju osłony, łączniki, obudowy. Przedstawiony przykład będzie dotyczył utwardzania osnowy kompozytowej osłony lusterka.

Narzędziem koniecznym do uwzględnienia procesu sieciowania termicznego osnowy polimerowej (duroplasty) w analizie MES jest dodatek ACCS (ANSYS Composite Cure Simulation). Dodatek ten pełni odmienne funkcje w analizie termicznej i w analizie wytrzymałościowej, a ponadto wprowadza nowe parametry do definicji materiałów. O sposobie ich wyznaczania można przeczytać w dokumentacji użytkownika.

WB

Rysunek 1: Schemat analizy utwardzania elementu kompozytowego

W analizie termicznej w stanie nieustalonym obliczany jest rozkład temperatur. Rozkład ten zależy od obciążeń cieplnych i cech materiału. ACCS w tym przypadku wylicza (w oparciu o wprowadzone parametry materiałowe) stopień utwardzenia kompozytu w miarę jego ogrzewania powyżej temperatury zeszklenia (Tg). Stopień ten po pierwsze modyfikuje parametry termiczne materiału w analizie, a ponadto uwalnia dodatkową ilość energii w wyniku egzotermicznego charakteru procesu łączenia się monomerów osnowy. Na tej podstawie wyznaczany jest skorygowany rozkład temperatur w ciele stałym.

degreeofcure

Rysunek 2: Schemat postaci osnowy w funkcji stopnia utwardzenia i temperatury. Zaznaczone etapy łaczenia się monomerów w łańcuchy. Rysunek na podstawie dokumentacji oprogramowania.

W obliczeniach mechanicznych ACCS modyfikuje parametry sprężyste materiału, tak jak pokazano to na rysunku 2. Nierównomierność procesu utwardzania powoduje powstawanie naprężeń resztkowych, w wyniku któych konstrukcja zdeformuje się po wyjęciu z formy. W celu zademonstrowania przedstawiamy krótki przykład wspomnianej już osłony lusterka wykonanego z prepregu Hexcel AS-4/8552

forma1

Rysunek 3: Kompozytowa osłona lusterka z wywiniętymi wargami wynikającymi z układania materiału w formie

Modelowanie struktury kompozytowej przeprowadzono w ACP. Obudowa lusterka została stworzona z czterech warstw materiału o grubości 175 mikrometrów każda. Dla kierunku referencyjnego wzdłuż osi Y przyjęto następujący układ warstw: [-20, 0, 20, 0].

stackup

Rysunek 4: Układ warstw i wskaźniki sprężyste kompozytu w postaci wykresu biegunowego

Z uwagi na znaczne krzywizny powierzchni uwzględniono dodatkowo tzw. Drapping. Drapping jest to zdolność materiału do odwzorowania kształtu formy. Wynikiem uwzględniania drappingu są modyfikacje kierunku włókien w poszczególnych miejscach, ze względu na konieczność "naciągniecia" tkaniny do kształtu formy. Obliczanie korekcji kątowych opiera się o minimum energii odkształcenia postaciowego dla siatki strukturalnej narzuconej na oryginalny model.

draping

Rysunek 5: Drapping - zdolność materiału do odwzorowania formy obudowy lusterka

Po wygenerowaniu układu warstw z modelu powłokowego utworzono model bryłowy i przesłano do środowiska ANSYS Mechanical w postaci elementów SOLSH190. Dla elementów tych program wygenerował odpowiednie sekcje dla opisania parametrów sprężystych lamin w poszczególnych warstwach. Wygenerowanie modelu bryłowego jest konieczne dla odpowiedniego zadania obciążeń termicznych i gradientów temperatury, zwłaszcza w narożach czy załamaniach. Warunki brzegowe wnikania ciepła w analizie termicznej ze współczynnikiem 25 [W/m2] zadano w czasie 36 000 [s]. Pierwsze 7 200 [s] stanowiło ogrzewanie od temperatury referencyjnej dla warunku konwekcji: 20 [C] do 180 [C]. Przez kolejne 25 200 [s] utrzymywano temperaturę, a następnie przez 3420 [s] obniżano temperaturę referencyjną ponownie do 20 [C]. Ostatnie 180 [s] to dalsze oddawanie ciepła w temperaturze referencyjnej 20 [C].

BCThermal

Rysunek 6: Warunki brzegowe w analizie termicznej w stanie nieustalonym

W analizie mechanicznej modelowi odebrano wymagane stopnie swobody za pomocą podparcia Frictionless support. Podparcie to było aktywne przez 35 820 [s]. Następnie podparcie to usunięto narzędziem Support Remover, co odwzorowuje moment wyjęcia komponentu z formy. Ponieważ w tym momencie układ nie byłby prawidłowo podparty, zastosowano trzy dodatkowe warunki brzegowe typu Nodal Displacement, odbierając odpowiednio w trzech węzłach stopnie swobody tak, aby nie przesztywnić układu. Warunki te były aktywowane dopiero w chwili usunięcia podparcia, a więc od 35 820 [s]. Jako obciążenie zastosowano obciązenie termiczne ciała w kolejnych krokach, pochodzące z analizy termicznej: Imported Body Temperature.

BCStruct

Rysunek 7: Mechaniczne warunki brzegowe

 

tree

Rysunek 8: Obiekty w zawartości drzewka w analizie termicznej (lewo) i analizie wytrzymałościowej (prawo)

Na rysunku powyżej zaznaczono nowe elementy dostępne po zainstalowaniu narzędzia ACCS, o których znaczeniu wspomniano już wcześniej. Nowością jest tutaj obiekt o nazwie Element Birth and Death. Jest to funkcjonalność przeniesiona ze środowiska klasycznego do Mechanical R19.0 polegająca na włączaniu / wyłączaniu określonych elementów skończonych w analizie. Pokuszono się na tym etapie o wykorzystanie tej opcji do usunięcia w ostatnim kroku naddatków materiału w postaci wargi. Znacząco zmienia to ostateczny kształt deformacji ze względu na jej dosztywniające działanie, które będzie nieobecne w docelowej geometrii.

birthdead

Rysunek 9: Wyłączenie odpowiednich elementów w ostatnim kroku obliczeń. Elementy zostały wybrane za pomocą narzędzia Named Selection > Worksheet.

Po przeprowadzeniu obliczeń uzyskano następujące wyniki:

 lusterko movie

Rysunek 10: Stan deformacji w kolejnych punktach analizy. W tle widoczne kontury modelu nieodksształconego.

Ostatnim etapem była analiza w ACP-Post, która jest tu jednak opcjonalna. Stopień deformacji był w tym przykładzie kluczowym zagadnieniem, co pokazano powyżej, zaś poziom naprężeń resztkowych jest tu dodatkowym wynikiem, choć niekiedy może okazać się bardzo istotnym. 

maxstress bottom

Rysunek 11: Mapa maksymalnych naprężeń rozciągających (naprężenia główne - S-I) w zewnętrznej warstwie obudowy lusterka.

 

samplingpoint 2

Rysunek 12: Punkt próbkowania w pewnym miejscu laminatu, w którym zbadano odkształcenia główne i naprężenia główne w poprzek struktury. Naprężenia wykazują typową dla kompozytów skokową wartość pomiędzy warstwami, ze względu na kierunkowość włókien. Odkształcenia pozostają ciągłe.

 

Jak wynika z przedstawionego przykładu, analiza procesu utwardzania osnowy kompozytu może być z powodzeniem modelowana za pomocą MES. Doświadczenie i wiedza specjalistów projektujacych formy w kontekście korekcji geometrycznej, tak aby po procesie utwardzania w konkretnych parametrach termicznych uzyskać finalny kształt, ogranicza się do prostych lub często powtarzających się geometrii. W sytuacji, gdy kształt jest nowy i skomplikowany, firma może ponieść znaczący koszt projektując i poprawiając formy na zasadzie prób i błędów. Dotyczy to przede wszystkim kosztu i czasu wytworzenia formy, a w drugiej kolejności kosztu materiałów laminerskich i pracy pracowników. Narzędzie ACCS może zatem oferować znacznie tańszą alternatywę przy stosunkowo niskim nakładzie poniesionym na wykonanie badań materiałowych i samych obliczeń numerycznych.

Przedstawiona analiza nie jest jedyną poprawną ścieżką modelowania tego typu zagadnień. Wydaje się że bardziej prawidłowym podejściem byłoby zamodelowanie laminatu umieszczonego w początkowej fazie w formie i podpartego poprzez kontakt z nią. Pozwoliłoby to uwzględnić również rozszerzalność termiczną samej formy. W ramach dodanych funkcji w środowisku Mechanical R19.0 jest również narzędzie Contact Step Control, które po odpowiednim ustawieniu pozwoliłoby również na zamodelowanie momentu wyjęcia laminatu z formy. Jest to alternatywna i wymagająca większych zasobów metoda.

Autor: Mateusz Pawłucki

 

Bibliografia:

[1] LMAT Ltd. ANSYS Composite Cure Simulation User Guide v1.6 

 

 

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA