Содержание статьи
Введение в программное обеспечение для проектирования композитов
Проектирование изделий из композиционных материалов представляет собой комплексную инженерную задачу, требующую специализированного программного обеспечения. Современные CAE-системы позволяют инженерам моделировать поведение композитных конструкций, оптимизировать укладку слоев, рассчитывать прочностные характеристики и прогнозировать механизмы разрушения.
Композиты состоят из нескольких компонентов с различными свойствами: армирующих волокон и связующей матрицы. Для успешного проектирования необходимо определить оптимальные характеристики материала, которые зависят от числа слоев, направления и последовательности их укладки. Специализированное ПО решает задачи прочностного расчета, моделирования производственных процессов, анализа расслоения и оптимизации конструкции.
ANSYS Composite PrepPost
Основные функции и возможности
ANSYS Composite PrepPost представляет собой специализированное приложение, интегрированное в среду ANSYS Workbench, которое обеспечивает полный спектр функциональных возможностей для конечноэлементного анализа многослойных композиционных материалов. Программа позволяет в явном виде задавать структуру укладки сложных композитных материалов и отображать приведенные характеристики и результаты расчетов на прочность.
| Функционал | Описание | Применение |
|---|---|---|
| Определение укладки слоев | Задание направления волокон для каждого слоя с учетом кривизны поверхности | Проектирование корпусных деталей авиатехники |
| Прочностной анализ | Расчет напряженно-деформированного состояния с учетом анизотропии | Анализ нагруженных конструкций |
| Моделирование драпировки | Учет сдвиговых деформаций при укладке на сложные поверхности | Детали двойной кривизны |
| Анализ расслоения | Расчет межслоевых касательных напряжений | Оценка рисков деламинации |
| Параметризация | Возможность задания до 9 параметров для свойств материала | Оптимизация конструкции |
Программа обладает широкими возможностями по заданию направления нулевых градусов, относительно которого отсчитываются углы ориентации отдельных слоев. В реальных конструкциях данное направление может изменяться сложным образом из-за особенностей технологии изготовления. ANSYS Composite PrepPost упрощает построение моделей конструкций большой кривизны и конструкций с сильными изменениями ориентации волокон.
Критерии разрушения
Для прогнозирования прочности композитных конструкций ANSYS Composite PrepPost поддерживает несколько критериев разрушения, каждый из которых имеет свои особенности применения:
| Критерий | Тип | Особенности |
|---|---|---|
| Критерий Цая-Ву (Tsai-Wu) | Энергетический | Учитывает суммарную энергию деформации, простой в использовании |
| Критерий Цая-Хилла (Tsai-Hill) | Энергетический | Квадратичная зависимость компонентов напряжений |
| Критерий Хашина (Hashin) | Феноменологический | Раздельный анализ разрушения волокон и матрицы |
| Критерий Пака (Puck) | Феноменологический | Введение концепции критической плоскости, модель трения Кулона |
| LaRC | Феноменологический | Детализированная процедура определения параметров |
| Максимальные напряжения/деформации | Классический | Простой критерий первого разрушения |
Феноменологические критерии, такие как Hashin и Puck, применяются к однонаправленным композитам и основаны на четырех основных режимах разрушения. Они позволяют провести более детальный анализ, чем энергетические критерии, и необходимы при выполнении расширенного моделирования композитов. Критерий Пака вводит понятие критической плоскости и модель трения типа Кулона для разрушения при сжатии и сдвиге.
Моделирование производства
ANSYS Composite PrepPost предоставляет возможность проводить сквозное моделирование производственного процесса, включающее следующие этапы:
- Формовку заготовки с учетом драпировки ткани
- Пропитку связующим веществом
- Полимеризацию композита с расчетом степени конверсии
- Анализ коробления конструкции после извлечения из оснастки
- Расчет остаточных напряжений
Программа дает возможность объединять тепловое нагружение с расчетом напряженного состояния, что позволяет определить местные свойства материала с учетом процесса вакуумного формования и связанного с ним сдвига отдельных слоев композиционного материала.
Digimat
Многомасштабное моделирование
Программный комплекс Digimat от MSC Software представляет собой решение для многоуровневого моделирования многофазных материалов. Реализованный в Digimat микроуровневый подход делает его востребованным всеми специалистами, связанными с композиционными материалами или композитными конструкциями.
Программа обеспечивает возможность моделирования широкого спектра многофазных материалов и позволяет применить комплексный подход в проектировании композитных конструкций: от разработки материалов и проведения виртуальных испытаний образцов до моделирования технологии изготовления и получения конечных характеристик конструкции.
| Уровень моделирования | Масштаб | Задачи |
|---|---|---|
| Микромеханика | Волокна и матрица | Определение эффективных свойств монослоя |
| Мезомеханика | Слои ламината | Моделирование поведения пакета слоев |
| Макромеханика | Конструкция | Прочностной расчет всего изделия |
Интеграция с технологиями производства
Модуль Digimat поддерживает передачу данных о микроструктуре из широкого спектра программного обеспечения, моделирующего изготовление композитных конструкций различными технологиями:
- Литье армированных пластиков под давлением: Moldex 3D, Moldflow, REM3D
- Объемное формование: Moldex 3D, Moldflow
- Ручная или автоматическая выкладка слоистого композиционного материала: Simulayt, AniForm
- 3D печать: Digimat-AM
Такая интеграция позволяет учесть реальные условия производства при расчете конечных свойств изделия, включая влияние ориентации волокон после технологических операций.
КОМПАС-Композиты
Послойное моделирование
КОМПАС-Композиты представляет собой отечественное CAD-приложение, функционирующее в интерфейсе КОМПАС-3D и реализующее как конструкторские, так и технологические задачи. Продукт ориентирован на изделия из слоистых пластиков ламинатов, где в качестве усиления применяются армирующие волокна, а полимерным связующим чаще всего является смола.
В основе программы лежит подход послойного моделирования. Система позволяет:
- Создавать пакеты слоев с заданной последовательностью укладки
- Определять поверхность выкладки и инженерную границу пакета
- Задавать ориентацию волокон в 3D-пространстве
- Прогнозировать поведение материала слоя при укладке
- Автоматизировать подготовку производства
Инструменты проектирования
Перед началом работы с композитами в КОМПАС-Композиты необходимо подготовить исходную поверхность базовыми средствами КОМПАС-3D. Например, можно скопировать часть теоретической модели изделия, что позволит учесть возможные изменения исходных данных.
Процесс проектирования включает следующие этапы:
| Этап | Действия | Результат |
|---|---|---|
| Создание пакета | Группировка слоев, относящихся к одной области | Структурированная модель ламината |
| Определение поверхности выкладки | Указание базовой поверхности для послойной укладки | Геометрическая основа для расчета |
| Задание границ | Определение инженерной границы пакета | Контуры раскроя материала |
| Ориентация слоев | Задание направления волокон для каждого слоя | Схема укладки для производства |
Применение специализированной САПР полимерных композитных материалов дает несколько преимуществ: ускорение конструкторско-технологической подготовки производства за счет автоматизации сложных задач, повышение качества изделия и снижение количества брака благодаря возможности прогнозирования поведения материала при укладке.
Российские решения для прочностного расчета
APM FEM и APM Structure3D
APM FEM представляет собой систему прочностного анализа, предназначенную для работы в интерфейсе российской CAD-системы КОМПАС-3D. Программный продукт эффективен для проектирования композитов в составе деталей с заданными термопрочностными характеристиками и является альтернативой зарубежного ПО.
Опция Composite является дополнительной функциональной возможностью конечно-элементного ядра APM Structure3D, являющегося основой таких программных продуктов как APM WinMachine и APM Civil Engineering. Опция зарегистрирована в Реестре российских программ для ЭВМ и баз данных.
| Функция | Описание |
|---|---|
| Создание слоистых композитов | Задание структуры композиционного материала с указанием толщины и ориентации каждого слоя |
| Определение свойств материалов | Ввод характеристик волокон и матрицы для расчета эффективных свойств |
| Прочностной анализ | Расчет напряженно-деформированного состояния композитных конструкций |
| Типы элементов | Тонкие пластины DKT и толстые пластины MITC с учетом поперечных сдвигов |
Разработанный функционал позволяет поднять качество и сократить цикл разработки изделий из композитов за счет уменьшения количества промежуточных испытаний, тем самым позволяя массово внедрять композиты в промышленность. Программа применима для предприятий ракето-, авиа-, судо- и автомобилестроения.
CAE Fidesys
CAE Fidesys представляет собой отечественную CAE-платформу, позволяющую решать задачи статической и динамической прочности, задачи динамики, тепловые задачи, задачи расчета контактного взаимодействия, проводить анализ потери устойчивости, решать связанные задачи.
Программа обладает собственным мощным и удобным препроцессором, который позволяет осуществлять быстрое и эффективное построение качественной расчетной модели. Высокая скорость и точность расчетов подтверждена международными тестами NAFEMS.
Для работы с композитами в Fidesys реализованы следующие возможности:
- Учет свойств армирующих нитей
- Построение матрицы композита
- Определение критической величины несущей способности конструкции
- Моделирование поведения композита после начала разрушения
- Многомасштабное моделирование
- Моделирование горных пород, бетонов, многомасштабных материалов
Спектр задач для решения которых применяется CAE Fidesys включает расчеты при статическом и динамическом нагружении, расчет собственных частот и форм колебаний, расчет критических нагрузок и форм потери устойчивости, расчет тепловых режимов, анализ эффективных свойств композитных материалов и расчет изделий из таких композитов.
Сравнение возможностей программных решений
| Критерий | ANSYS Composite PrepPost | Digimat | КОМПАС-Композиты | APM FEM | CAE Fidesys |
|---|---|---|---|---|---|
| Прочностной расчет | Полный спектр | Многоуровневый | Через интеграцию | Полный | Полный |
| Моделирование производства | Да | Да | Нет | Нет | Нет |
| Оптимизация укладки | Параметрическая | Да | Визуальная | Ограниченная | Ограниченная |
| Критерии разрушения | 6+ критериев | Встроенные | Через CAE | Базовые | Продвинутые |
| Интеграция с CAD | Workbench | CATIA, др. | КОМПАС-3D | КОМПАС-3D | Импорт форматов |
| Российская разработка | Нет | Нет | Да | Да | Да |
Функциональность прочностного расчета
ANSYS Composite PrepPost и CAE Fidesys предоставляют наиболее полный набор инструментов для прочностного анализа композитных конструкций. Обе системы поддерживают нелинейный анализ, расчет контактного взаимодействия и моделирование прогрессирующего разрушения.
Digimat выделяется возможностью многоуровневого моделирования от микромеханики до макромеханики, что позволяет более точно предсказывать свойства материала на основе характеристик его компонентов.
КОМПАС-Композиты фокусируется на конструкторско-технологической подготовке производства, а прочностные расчеты выполняются через интеграцию с другими модулями APM или экспорт в специализированные CAE-системы.
Моделирование производственных процессов
ANSYS Composite PrepPost позволяет моделировать полный цикл изготовления: от драпировки и формовки до пропитки, полимеризации и анализа коробления. Программа PAM-RTM, работающая в связке с ANSYS, специализируется на моделировании процессов RTM-формования и вакуумной инфузии.
Программа позволяет рассчитать:
- Время заполнения формы связующим
- Поле давления в процессе пропитки
- Фронт распределения смолы
- Образование сухих зон и пористости
- Запирающее усилие формы
- Степень полимеризации
Digimat интегрируется с программами моделирования литья под давлением и других технологий, получая от них данные о фактической ориентации волокон после технологических операций.
Подходы к оптимизации укладки
Оптимизация последовательности и ориентации слоев является критически важной задачей при проектировании композитных конструкций. ANSYS Composite PrepPost предоставляет параметрические инструменты для варьирования характеристик укладки с последующим анализом результатов.
КОМПАС-Композиты обеспечивает визуальное проектирование схемы укладки с возможностью прогнозирования поведения материала на сложных поверхностях. Система помогает инженеру избежать дефектов укладки, таких как складки и нежелательные напуски материала.
Обучение и внедрение
Требования к подготовке специалистов
Эффективное использование специализированного ПО для проектирования композитов требует от инженеров комплекса знаний:
- Понимание механики композиционных материалов
- Знание технологий производства композитных изделий
- Владение методом конечных элементов
- Навыки работы с CAD-системами
- Понимание критериев разрушения и их применимости
Компания ANSYS предоставляет курсы обучения через ANSYS Innovation Courses, включая специализированный курс Introduction to Ansys Composite PrepPost. Обучение охватывает определение новых композитных материалов, создание тканей, задание розеток и ориентированных наборов выбора, моделирование слоев для создания композитных сэндвич-панелей.
Учебные ресурсы
| Ресурс | Тип | Содержание |
|---|---|---|
| ANSYS Innovation Courses | Онлайн курсы | Пошаговые руководства с практическими примерами |
| Документация производителей | Справочная | Техническая документация по функциям программ |
| Учебные центры | Очные занятия | Интенсивные курсы с сертификацией |
| Webinars | Онлайн семинары | Демонстрация возможностей на практических задачах |
Для российских программных продуктов обучение часто проводится авторизованными учебными центрами и включает не только работу с ПО, но и повышение квалификации в области расчета композитных конструкций в соответствии с российскими нормативными документами.
Этапы внедрения
Внедрение специализированного ПО на предприятии включает следующие этапы:
- Анализ потребностей: Определение типов решаемых задач, требуемого функционала, интеграции с существующими системами
- Пилотное тестирование: Проверка программы на реальных проектах предприятия
- Обучение персонала: Подготовка специалистов к работе с новым ПО
- Разработка методик: Создание внутренних стандартов и процедур расчета
- Полномасштабное внедрение: Переход проектов на новую систему
- Техническая поддержка: Сопровождение на этапе эксплуатации
Часто задаваемые вопросы
Для однонаправленных композитов наиболее точными считаются феноменологические критерии, такие как Hashin и Puck, которые раздельно анализируют разрушение волокон и матрицы. Критерий Пака считается более точным для предсказания межволоконного разрушения благодаря концепции критической плоскости и учету трения при сжатии. Критерий Hashin широко интегрирован в коммерческое ПО и имеет хороший баланс между точностью и простотой применения. Энергетические критерии Tsai-Wu и Tsai-Hill проще в использовании, но не различают механизмы разрушения.
Российские программы CAE Fidesys и APM Structure3D фокусируются на прочностном анализе готовых конструкций, но не имеют специализированных модулей для моделирования технологических процессов изготовления, таких как автоклавное формование, RTM или вакуумная инфузия. Для моделирования процессов пропитки и полимеризации используются специализированные решения, такие как PAM-RTM. Однако расчет остаточных напряжений и деформаций после формования может быть выполнен в российских CAE-системах при наличии соответствующих входных данных о температурных циклах.
Драпировка ткани учитывается через расчет сдвиговых деформаций при укладке материала на криволинейные поверхности. ANSYS Composite PrepPost позволяет моделировать изменение ориентации волокон вследствие деформации ткани и предсказывать образование складок. Программа корректирует углы армирования с учетом кривизны формы изделия. КОМПАС-Композиты обеспечивает визуализацию процесса укладки и помогает спрогнозировать поведение материала слоя при формовании. Точность моделирования драпировки зависит от наличия экспериментальных данных о свойствах конкретной ткани при сдвиге.
Многоуровневое моделирование в Digimat позволяет связать свойства компонентов композита (волокон и матрицы) с поведением всей конструкции. На уровне микромеханики рассчитываются эффективные свойства монослоя исходя из характеристик волокон и связующего. На уровне мезомеханики моделируется поведение пакета слоев. На макроуровне проводится прочностной расчет всей конструкции. Такой подход позволяет оптимизировать состав материала, предсказывать свойства новых композитов и учитывать влияние технологии производства на конечные характеристики изделия. Это особенно важно для разработки новых материалов и при отсутствии полных экспериментальных данных.
Требования к оборудованию зависят от сложности решаемых задач. Для простых моделей с несколькими тысячами конечных элементов достаточно современного рабочего компьютера с процессором уровня Intel Core i7, 32 ГБ оперативной памяти и дискретной графической картой. Для сложных нелинейных задач, моделей с миллионами элементов или моделирования производственных процессов требуются рабочие станции с процессорами Xeon, 64-128 ГБ памяти или доступ к вычислительному кластеру. CAE Fidesys за счет применения метода спектральных элементов может решать сложные задачи с меньшими системными требованиями по сравнению с традиционными МКЭ-системами. Все программы поддерживают параллельные вычисления для ускорения расчетов.
Да, интеграция возможна через стандартные форматы обмена данными. КОМПАС-Композиты может экспортировать геометрию и схему укладки для последующего прочностного анализа в CAE-системах. APM FEM интегрирован с КОМПАС-3D и может импортировать геометрию из других CAD-систем через стандартные форматы STEP, IGES. CAE Fidesys поддерживает импорт из ANSYS, NX и других систем. Однако при комбинированном использовании программ важно обеспечить корректную передачу не только геометрии, но и информации о структуре ламината, ориентации волокон и свойствах материалов. Полностью автоматизированный обмен данными между системами разных производителей может требовать разработки дополнительных конверторов.
Для проектирования композитной детали необходимы следующие данные: геометрия детали в виде CAD-модели, технические требования к прочности и жесткости, условия эксплуатации и нагружения, характеристики доступных материалов - модули упругости волокон и матрицы в различных направлениях, пределы прочности при растяжении и сжатии, предел прочности при сдвиге, коэффициенты Пуассона. Также требуются технологические ограничения - доступные технологии производства, минимальные и максимальные толщины, ограничения на углы укладки. Для моделирования производства дополнительно нужны реологические свойства связующего, проницаемость армирующего наполнителя, кинетика полимеризации, коэффициенты температурного расширения.
Выбор типа элементов зависит от геометрии и задачи. Послойные оболочечные элементы применяются для тонкостенных конструкций, где отношение толщины к характерному размеру меньше 1 к 10, и где можно пренебречь поперечными сдвиговыми деформациями или учесть их через теорию Миндлина-Рейсснера. Они эффективны для больших моделей и обеспечивают хорошую точность при меньших вычислительных затратах. Объемные слоистые элементы необходимы для толстых композитных конструкций, где важны межслоевые напряжения, для анализа краевых эффектов, моделирования расслоения, болтовых соединений и зон концентрации напряжений. В APM Structure3D для тонких пластин используется тип DKT, для толстых с учетом поперечных сдвигов - тип MITC.
Да, российские программы поддерживают расчет сэндвич-конструкций. APM Civil Engineering специализируется на расчете и проектировании строительных конструкций, включая композитные сэндвич-панели. CAE Fidesys позволяет моделировать трехслойные конструкции с различными типами заполнителя - пенопластами, сотовыми заполнителями и другими. Программы могут рассчитывать прочность обшивок, сдвиг в заполнителе, отрыв обшивок от заполнителя. Для оптимизации сэндвич-панелей можно варьировать толщину заполнителя и последовательность укладки монослоев в несущих слоях для минимизации массы при сохранении требуемой прочности и жесткости. Задачи оптимизации могут решаться с применением генетических алгоритмов.
При проектировании композитных конструкций в РФ применяются отраслевые стандарты и нормативные документы. Для железобетонных конструкций, армированных полимерной композитной арматурой, действует СП 295.1325800.2017. Для авиационной техники применяются отраслевые стандарты и руководящие материалы, разработанные ВИАМ и другими институтами. В судостроении используются требования Российского морского регистра судоходства. Для строительных конструкций действуют своды правил по расчету и проектированию. Важно учитывать, что многие российские программы, такие как APM FEM и CAE Fidesys, разработаны с учетом требований российских нормативных документов и зарегистрированы в Реестре российского ПО, что важно для предприятий оборонно-промышленного комплекса и стратегических отраслей.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Информация, представленная в материале, не является руководством к действию, технической документацией или основанием для принятия проектных решений.
Автор не несет ответственности за:
- Любые решения, принятые на основе информации из данной статьи
- Возможные ошибки или неточности в описании программного обеспечения
- Изменения в функционале программ, произошедшие после публикации материала
- Последствия использования описанного программного обеспечения
- Результаты расчетов, выполненных с использованием упомянутых программ
Перед применением любого программного обеспечения для проектирования композитных конструкций необходимо:
- Изучить официальную документацию производителя ПО
- Пройти специализированное обучение
- Провести верификацию результатов расчетов
- Обеспечить соответствие проектных решений действующим нормативным документам
- Привлечь квалифицированных специалистов для ответственных расчетов
Все проектные и расчетные работы должны выполняться квалифицированными инженерами с соответствующим образованием и опытом работы в области композиционных материалов.
