Лаборатория «Вычислительная механика» CompMechLab®
  CompMechLab  
28 Марта 2015 года
21 Февраля 2015 года
10 Декабря 2014 года
9 Декабря 2014 года
23 Июля 2012 года
 
10 Сентября 2014 года
24 Июля 2012 года
27 Апреля 2012 года
24 Ноября 2011 года
1 Ноября 2011 года
 
Голосования не найдены

Примеры применения DIGIMAT в аэрокосмической отрасли

1. Столкновение птицы с обтекателем фюзеляжа самолёта.

Задача решена совместно компанией Altair, специализирующейся на инновационных технологиях оптимизацией анализа, и компанией e-Xstream engineering.

Локальные и глобальные цели:

- Привнести инновации современного моделирования в аэрокосмическую отрасль;

- Прогнозировать разрушение на микроуровне относительно слоя композиционного материала;

- Сделать первые шаги в объединении моделирования укладки со структурным КЭ анализом при использовании микромеханических моделей материала.

Решения DIGIMAT:

- Создание микромеханического описания материала, основанного на линейных упругих свойствах эпоксидной матрицы и трансверсально-изотропных свойствах углеволокна;

- Определение критерия разрушения (Цай-Ву) для уровня слоя;

- Определение разрушения по максимальным главным напряжениям в матрице;

- Определение разрушения по максимальным напряжениям в волокне (продольно и ортогонально относительно ориентации волокна).

 

Результаты:

- Возможен полный обмен данными между решателем Radioss и микромеханической моделью материала, созданной с помощью DIGIMAT;

- Прогноз разрушения стал легко доступен как на уровне композитного слоя, так и на микроскопическом уровне (для матрицы и волокон);

- В скором будущем модели материалов DIGIMAT можно будет легко использовать при моделировании укладки в другом программном обеспечении и, таким образом, учитывать влияние фактора обработки.  

Цитата:

"С помощью программного продукта DIGIMAT стало возможно подробно изучать поведение однонаправленных композитов на микроуровне. Это выводит нас на новый уровень в исследовании композиционных материалов, более подробном, чем изучение слоя композитов..." - заявил д-р Лорен Адам, начальник исследовательского отдела компании e-Xstream engineering.

2. Термо-механическое моделирование сверхлегкой спутниковой антенны

Заказчик: ESA ESTEC 

- Европейский центр космических исследований и технологий (ESA ESTEC) является инкубатором европейских программ по освоению космоса. 

- ESA ESTEC поддерживает европейскую космическую промышленность и тесно сотрудничает с университетами, исследовательскими центрами и космическими агентствами по всему миру. 

- ESA ESTEC осуществляет научно-исследовательские разработки для развития технологий, необходимых при выполнении задач аэрокосмической отрасли в будущем.

 
 
Искусственный спутник Венеры (собственность компании ESA/ESTEC)

Локальные/глобальные цели:

- Необходимость создания прочных и надежных в эксплуатации спутниковых антенн (не существует простого способа ремонта спутника в случае его поломки);

- Изучение проблемы крайней чувствительности устройства к тепловым нагрузкам с учетом реальных метеорологических условий.

Решения DIGIMAT:

- Многоуровневое моделирование современных тканых композитов (на 3 уровнях); 

- Композит на основе углерода и эпоксидной смолы: гомогенизация свойств нитей; 

- Трехмерные тканые материалы (ТТМ): детальный анализ представительной ячейки; 

- Спутниковая антенна: моделирование всей структуры на основе эквивалентной многослойной оболочечной модели, характерной для ТТМ.


Результаты:

- Гомогенизация поля осредненных величин дает хороший прогноз свойств нитей (жесткости и коэффициента температурного расширения);

- Свойства нитей позволяют точно рассчитать жесткость и коэффициент температурного расширения для ТТМ;

- Высокоточное прогнозирование перемещений структуры спутниковой антенны под действием тепловых нагрузок.

Цитата:

"DIGIMAT способен построить взаимосвязь между микромиром и макромиром. Прекрасный пример высококачественного европейского ноу-хау...–  заявил д-р Джулиан Сантьяго Провальд, TEC-MSS отделение компании ESA/ ESTEC. 

3. Анализ упругопластических свойств композита с металлической матрицей. Циклическая центробежная нагрузка турбинной лопатки реактивного двигателя

Основные положения

Целью настоящей работы является прогнозирование на макроуровне упругопластических свойств материала турбинной лопатки реактивного двигателя, нагруженной  циклической центробежной силой. Лопатка изготовлена из титана, армированного карбидокремниевым волокном.


На начальном этапе была успешно проведена серия анализов в программной системе DIGIMAT, позволивших предсказать влияние  объемной концентрации волокон, их ориентации и соотношения размеров на упругопластические свойства композита. Далее был выполнен конечно-элементный (КЭ) анализ турбинной лопатки в программной системе ABAQUS.

Постановка задачи

Матрица 

Включения

  • Титан (Ti)
  • Модуль Юнга - 110 ГПа
  • Коэффициент Пуассона - 0,25
  • Предел текучести - 300 МПа
  • Модель упрочнения R=kpm

k=331.98 МПа

m=0,1827

  • Карбид кремния (SiC)
  • Модуль Юнга - 410 ГПа
  • Коэффициент Пуассона - 0,17

Параметры проектирования: Волокна 

  • Соотношение размеров (AR=10 или 50)
  • Объемная концентрация  (VF=8% или 12%)
  • Ориентация  (?=0° или 90°)

Конечно-элементная модель

КЭ программное обеспечение: ABAQUS/Standard

КЭ модель:

  • Число узлов: 6 344
  • Число элементов: 24 205
  • Число степеней свободы: 19 032
  • Тип элементов: Тетраэдр

Нагружение и граничные условия:

  • Циклическая центробежная сила
  • Угловая скорость Wmax = 900 рад/с (8595 об/мин)
  • Запрет на перемещение узлов нижней грани основания лопатки

Конечно-элементная модель турбинной лопатки

Результаты

На Графике 1 представлены кривые деформаций-нагружений в зависимости от параметров материала при моделировании исключительно с помощью DIGIMAT. Рассмотрено монотонное нагружение Представительного Элемента Объема (ПЭО) с максимальной деформацией 6%.


График 1. Кривая деформаций-напряжений для разных укладок и объёмных концентраций армирующего волокна

Каждая кривая соответствует проделанному анализу в DIGIMAT, требующему меньше секунды работы процессора среднестатистического компьютера.

На Графике 2 показаны кривые напряжений-деформаций, полученные в результате КЭ анализа в связке с DIGIMAT. Были проведены 3 анализа:

  • Однородный материал (только Титан)
  • Титан, армированный волокнами, направленными по оси растяжения (осевая укладка)
  • Титан, армированный волокнами, направленными перпендикулярно оси растяжения (поперечная укладка)

Кривые получены для элемента с наибольшим напряжением.


График 2. Кривые напряжений-деформаций (КЭ анализ и DIGIMAT)

На приведённых ниже рисунках представлены эквивалентные напряжения по Мизесу при максимальной угловой скорости (900 рад/с) для трёх типов КЭ анализа.




Напряжение по Мизесу, модель из титана без учёта волокна

Напряжение по Мизесу, модель с учётом волокна, AR=10, VF = 8%, поперечная укладка Напряжение по Мизесу, модель с учётом волокна, A= 10, VF = 8%, осевая укладка

В связке КЭ анализа с DIGIMAT в результате выполнения расчётов пользователь может получить больше полезной информации по сравнению с классическим КЭ анализом. С использованием DIGIMAT стало возможным получение результатов не только на макроуровне, но и на микроуровне для каждой фазы. Данные результаты показаны  на рисунках, приведённых ниже. 




  

Поле деформаций, гомогенизированный композитный материал (поперечная укладка, AR = 10, VF = 8%)
Поле деформаций на микроуровне, матрица (поперечная укладка, AR = 10%, VF = 8%) Поле деформаций на микроуровне, волокно (поперечная укладка, AR = 10%, VF = 8%)

Все права на материалы данной статьи принадлежат e-Xstream engineering.

Посетите наши веб-проекты: