Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
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 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.
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.
Для прогнозирования прочности композитных конструкций ANSYS Composite PrepPost поддерживает несколько критериев разрушения, каждый из которых имеет свои особенности применения:
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.
ANSYS Composite PrepPost предоставляет возможность проводить сквозное моделирование производственного процесса, включающее следующие этапы:
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.
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.
Модуль Digimat поддерживает передачу данных о микроструктуре из широкого спектра программного обеспечения, моделирующего изготовление композитных конструкций различными технологиями:
Такая интеграция позволяет учесть реальные условия производства при расчете конечных свойств изделия, включая влияние ориентации волокон после технологических операций.
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:
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:
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.
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.
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 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:
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.
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.
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:
Digimat интегрируется с программами моделирования литья под давлением и других технологий, получая от них данные о фактической ориентации волокон после технологических операций.
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.
Эффективное использование специализированного ПО для проектирования композитов требует от инженеров комплекса знаний:
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.
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.
Внедрение специализированного ПО на предприятии включает следующие этапы:
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.
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:
Перед применением любого программного обеспечения для проектирования композитных конструкций необходимо:
Все проектные и расчетные работы должны выполняться квалифицированными инженерами с соответствующим образованием и опытом работы в области композиционных материалов.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.