Szukaj Logowanie Kontakt

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 

 

 

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA

ZASTOSOWANIA