Моделирование композитных элементов конструкций и анализ их разрушения в САЕ-системах MSC.Patran-Nastran и ANSYS

148 Pages·2016·14.5 MB·Russian

by  Скворцов Ю.В.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ЕОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Ю.В. Скворцов, С.В. Глушков, А.И. Хромов
Моделирование композитных элементов конструкций
и анализ их разрушения в САЕ-системах
MSC.Patran-Nastran и ANSYS
Электронное учебное пособие
САМАРА
2012
УДК 629.7.015.4:539.3
ББК 30.2
С 427
Авторы: Скворцов Юрий Васильевич,
Глушков Сергей Валериевич,
Хромов Александр Игоревич
Редакторская обработка А. И. Хромов
Компьютерная вёрстка Ю. В. Скворцов
Довёрстка С. В. Глушков
Скворцов, Ю. В. Моделирование композитных элементов конструкций и анализ их
разрушения в САЕ-системах MSC.Patran-Nastran и ANSYS [Электронный ресурс] :
электрон, учеб. пособие/Ю. В. Скворцов, С. В. Глушков, А. И. Хромов; Минобрнауки
России, Самар, гос. аэрокосм, ун-т им. С. П. Королева (Нац. исслед. ун-т). - Электрон,
текстовые и граф. дан. (2,3 Мбайта). - Самара, 2012. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
Представлена технология создания виртуальных моделей композитных элементов конст­
рукций в САЕ-системах MSC.Patran-Nastran и ANSYS, в том числе с использованием спе­
циализированного приложения MSC.Laminate Modeler. Приведены примеры с подробным
пошаговым описанием.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 160400.65 «Проектирова­
ние, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» (специали­
зация «Ракетно-космические композитные конструкции»), изучающих дисциплину «Ме­
ханика композиционных материалов» в 9 и 10 семестрах, и магистрантов направления
010800.68 «Механика и математическое моделирование» (магистерская программа «Ме­
ханика деформируемого твёрдого тела и прочность летательных аппаратов»), изучающих
дисциплину «Механика композиционных материалов» в 11 семестре.
Оно может быть использовано также при выполнении курсовых и дипломных проектов
студентами специальности 160100.65 «Самолёто- и вертолётостроение» в 10... 12 семест­
рах и студентами направления 151600.62 «Прикладная механика» в 8 семестре.
Подготовлено на кафедре космического машиностроения СГАУ.
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2012
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5
1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ................................................................................ 7
Е1 Волокнистые композиционные материалы...............................................7
Е2 Упругие характеристики многослойного пакета....................................10
1.3 Оценка прочности композитов.................................................................12
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПОЗИТОВ В ПРОЕРАММЕ ANSYS............16
2.1 Выбор подходящего типа элементов........................................................16
2.2 Определение слоистой конфигурации.....................................................19
2.2.1 Описание свойств отдельных слоев..............................................19
2.2.2 Трёхслойные конструкции с лёгким заполнителем.....................22
2.2.3 Смещение узлов.............................................................................. 23
2.3 Задание критериев разрушения................................................................ 24
2.4 Некоторые замечания по моделированию и просмотру результатов... 28
2.5 Пример исследования прочности композитной пластины....................31
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПОЗИТОВ В СИСТЕМЕ
MSC.PATRAN-NASTRAN.............................................................................. 41
3.1 Построение моделей композиционных материалов в среде
MSC.Patran.................................................................................................41
3.1.1 Слоистые композиционные материалы.......................................42
3.1.2 Определение характеристик многофазного композита с
использованием правила смесей....................................................45
3.1.3 Модели композитов Халпина-Цая...............................................46
3.1.4 Модели композитов со случайной ориентацией коротких
волокон............................................................................................ 54
3.2 Моделирование слоистых композитов с помощью
специализированного приложения MSC.Laminate Modeler..................56
3.2.1 Общая характеристика приложения.............................................56
3.2.2 Особенности технологических процессов изготовления
элементов конструкций из композиционных материалов..........58
3.2.3 Имитация др апир овки...................................................................61
3.2.4 Основные этапы построения моделей слоистых композитных
конструкций и их анализа...............................................................68
3.2.5 Открытие новой базы данных в MSC.Laminate Modeler............69
3.2.6 Создание LM-материалов............................................................. 70
3
3.2.7 Создание LM-слоёв.........................................................................72
3.2.8 Создание LM-пакета и расчётной модели для анализа...............85
3.2.9 Построение объёмных элементов..................................................91
3.2.10 Создание слоистых материалов.....................................................92
3.2.11 Сортировка результатов по глобальным слоям............................94
3.2.12 Использование критериев разрушения.........................................95
3.2.13 Подготовка данных для проектирования и производства.........101
3.2.14 Импортирование слоёв и моделей...............................................101
3.2.15 Установка опций............................................................................104
3.3 Пример анализа разрушения композитной пластины..........................108
3.4 Пример моделирования композитной конструкции с
неравномерным распределением слоёв.................................................117
3.5 Пример моделирования композитного обтекателя,
изготавливаемого методом выкладки слоёв..........................................131
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................148
4
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее эффективных путей совершенствования современ­
ных конструкций является внедрение в производство новых высокопрочных
и высокомодульных композиционных материалов. Описание таких материа­
лов связано с большими математическими трудностями, поскольку они обла­
дают высокой анизотропией деформационных свойств, существенно неодно­
родным слоистым строением и значительной сдвиговой податливостью.
В отличие от свойств традиционных материалов, технология которых
хорошо отработана и устойчива, свойства композитов довольно чувствитель­
ны к малым изменениям технологического режима, а сами технологические
приёмы отличаются большим разнообразием. В принципе проектирование
материала, изделия и технологического процесса должно составлять единое
целое. Благодаря появлению композитов конструктору предоставляется сво­
бода эффективного использования материалов и усиливается творческая сто­
рона процесса проектирования.
Следует отметить, что в настоящее время создание хорошего конку­
рентоспособного изделия, в том числе из композиционных материалов, не­
возможно без использования компьютерных технологий виртуальной разра­
ботки изделий (или VPD-технологий). Учитывая сложность задачи, модели­
рование и анализ композитных конструкций должны проводиться с привле­
чением самых современных систем инженерного анализа (или САЕ-систем),
реализующих метод конечных элементов (МКЭ).
Пособие состоит из трёх разделов. Первый раздел имеет вводный ха­
рактер, где излагаются основные сведения о композитах. При этом особое
внимание уделяется волокнистым композиционным материалам, которые
чаще других применяются в современных силовых конструкциях. Приводят­
ся соотношения упругости для многослойного пакета при плоском напря­
жённом состоянии и изгибе. Затрагиваются также вопросы, связанные с
оценкой прочности композитов. Здесь рассматриваются все основные фено­
менологические критерии разрушения.
Второй раздел посвящён описанию технологии моделирования компо­
зитов в МКЭ-пакете ANSYS. При этом рассматриваются вопросы, связанные
с выбором подходящего типа элементов, определением слоистой конфигура­
ции и заданием критериев разрушения. Излагаются также некоторые замеча­
ния, касающиеся особенностей моделирования композитных конструкций и
5
представления результатов их расчёта. В конце раздела даётся подробное
пошаговое описание примера исследования прочности композитной пласти­
ны, составленной из слоёв углепластика.
В третьем разделе рассматривается технология моделирования компо­
зитных конструкций с использованием МКЭ-системы MSC.Patran-Nastran.
Здесь затрагиваются вопросы, связанные с построением различных моделей
композиционных материалов: слоистого композита с определённой структу­
рой укладки слоёв; произвольного многофазного композита с использовани­
ем правила смесей; двухфазных композитов с изотропной матрицей, армиро­
ванной непрерывными либо разорванными волокнами или ленами; а также
композитов со случайной ориентацией коротких волокон в плоскости или
пространстве. Особое внимание уделяется специализированному приложе­
нию MSC.Laminate Modeler, который позволяет имитировать выкладку слоёв
из армированных материалов на заданную область поверхности с учётом
технологического отклонения волокон от расчётного направления и измене­
ния толщины материала. В заключение приводятся примеры анализа разру­
шения композитной пластины, моделирования композитной конструкции с
неравномерным распределением слоёв и исследования устойчивости и проч­
ности композитного обтекателя, изготавливаемого методом выкладки слоёв.
6
1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
1.1 Волокнистые композиционные материалы
Композитом называется неоднородный (гетерогенный) материал, со­
стоящий из двух или нескольких взаимно нерастворимых компонентов (фаз).
Согласно этому определению к композитам можно отнести очень многие ма­
териалы.
Ради удобства одну из фаз обычно называют матрицей (или связую­
щим), а другие - включениями (или армирующими элементами). Композици­
онные материалы, как правило, классифицируются по форме включений. Са­
мыми распространенными среди них являются макрочастицы (гранулы), ко­
роткие (или разорванные) волокна, непрерывные длинные волокна, а также
слои.
В современных силовых конструкциях наибольшее распространение
получили волокнистые композиционные материалы, состоящие из сравни­
тельно податливой полимерной матрицы, армированной высокопрочными
непрерывными стеклянными, органическими, углеродными или борными во­
локнами. Уровень прочностных и жесткостных свойств таких материалов
определяется в основном свойствами волокна. От выбора матрицы зависят
прочность на сдвиг, термостойкость, сопротивление ударным нагрузкам и
усталости. В каждом слое волокна могут быть расположены строго парал­
лельно друг другу (однонаправленный материал) либо сплетены в ткань. Од­
нако текстильная переработка заметно снижает прочность и жёсткость мате­
риала.
Следует отметить, что первичные волокна, как правило, являются
слишком тонкими для организации эффективного технологического процесса
изготовления композитов. Поэтому очень часто их объединяют в жгуты
(пучки связанных волокон). Каждый жгут обычно состоит из большого коли­
чества волокон (например, углеродный жгут может содержать от 1000 до
10000 волокон). Такой подход позволяет существенно снизить производст­
венные затраты, а следовательно, и стоимость композитов.
Волокнистые композиты обладают двумя уровнями неоднородности:
микронеоднородностью, связанной с наличием в материале двух фаз (воло­
кон и матрицы), и макронеоднородностью, связанной с наличием однона­
правленных слоев (или монослоев). При расчёте и проектировании конструк­
ций обычно учитывается лишь второй уровень неоднородности материала,
7