星期四, 5月 19

    CAE在复合材料结构分析的应用

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    ■ Hexagon/MSC software Taiwan/ 陈俊昌

    复合材料概述及应用状况

    复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点, 而且通过不同材料组合性能的互补,获得优异的性能。 复合材料具有强度大、刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点,可以获得显著的减重效益,并改善结构性能。目前,聚合物结构复合材料、 聚合物隔热烧蚀复合材料、碳纤维材料、陶瓷复合材料以及纳米复合材料都在汽车、航太工业等有特殊需求的领域获得了广泛的应用。如图2所示复合材料在加工领域的应用价值。

    在航空领域,如F-111的水平稳定器是世界上第一个通过适航条例的复合材料零件、A380与旅行者号则完全 采用复合材料制造,其整体框架(不包括燃油)的重量仅为整体框架外加燃油总重量的9%。是世界上首个中 途不需加油,能够连续飞行9天的航空器。如首图所示。

    复合材料在赛车上的应用,经常会出现超过2000层、 100000个元素的模型,大部分的F1团队都在使用MSC Nastran/Patran/Laminate-Modeler 帮助他们快速完成不同复合材料的设计计算。其好处在于使用者能够 实现快速与精準的结构分析模型建立、与加工制程连接、评估不同工况的强度或破坏分析等,如图1所示。

    复合材料在船舶行业的应用也很广泛,例如: America’s Cup Yacht,总重量超过 25 吨,压舱物重20吨(占到约80%),桅杆质量330公斤,吊杆质量 60公斤,甲板质量1700公斤,鳍板质量1000公斤。 包含了上千个铺层。在利用CAE做性能提升的辅助设 计工作上,如果采用专业的 MSC Laminate Modeler 工具,可以节约90%的时间;其最大的优势在于: 铺层是完全基於实际制程的方式与顺序,能够实现自动化迭层定义,可以进行失效分析,因为CAE的工作效率提高而得以进行最佳化设计。如图3所示。

    图 1:复合材料在赛车上的应用

    图 2:复合材料在典型加工制造的应用价值

     

    图 3:复合材料在船舶上的应用

    复合材料在绿能领域也有著广泛的应用。例如:风机叶片,通常总长度会超过40米,叶片的大型化必然要求轻量化、低成本化和高性能化,采用复合材料能够有效地实现上述的要求;提高局部屈曲稳定性和颤振性能。如图4所示。复合材料在其他行业也得到了 广泛的应用。例如安全头盔、夹层建筑等。如图5所 示。

     

    图 4:复合材料在风机叶片上的应用       图 5 : 复合材料在头盔上的应用

    CAE在复合材料结构分析领域的功能和应用

    在进行复合材料CAE分析时,通常需要经历初步设计阶段和详细设计阶段:

    初步设计阶段:根据结构的要求和设计载荷等进行初 步的复合材料布局、分区、选材分析。

    在初步设计阶段,MSC公司的Patran针对使用者在 其他CAD软体中构建的几何模型提供了多种读写格 式接口设置,其中包括IGES, Parasolid, STEP, CATIA, Pro/Engineer, Unigraphics 等大型商用 CAD 软体的 接口;可以灵活的选择不同的分析求解器;如图7所 示,Patran具有强大的结果后处理功能;具有方便易 学的Patran命令语言开发工具PCL,方便用户实现各 种不同集成环境的分析需求。另外,Patran可以与其 他第三方复合材料前处理软件如fibersim接口,在数 据交换的过程中不会出现数据的遗漏。

    与此同时,Patran 的 Laminate Modeler 模块能够用 於辅助迭层复合材料结构的设计、分析、和制造。它 提供了产生精确的迭层材料数据的方法,材料数据可 输出到任何Patran支持的求解器。它允许工程师和 设计师直观的进行铺层设计,只需选择某个几何区域 及其所用的铺层特性即可。铺层特性包括每一单层的 初始方向及材料数据。在铺层的定义中确定纤维的方 向。图6为Laminate Modeler在Sikorsky S-92直升 机建模与分析方面的应用。

    图 6:Laminate Modeler 在 Sikorsky S-92 直升机建模与分析方面的应用

    详细设计阶段:可以对铺层层数、铺层厚度及铺层角 进行设计分析,详细分析每层复合材料的覆盖区域、覆盖开始点、材料方向、覆盖褶皱、覆盖时纤维应变、可以考虑各向异性、层间剪切、损伤等性质求 解。 MSC产品在复合材料分析领域提供了先进强大 的求解器,包括:MSC Nastran、Marc、Dytran。结 构分析作为复合材料开发过程中不可或缺的必要组成 部分,已经成为主流有限元分析软体的基本功能。目 前针对复合材料的分析进一步集中到瞭如何缩短分析 流程耗费的时间以及实现更多分析功能上。以此来满 足相关业者日益增长的需求。在详细设计阶段,MSC Nastran能够满足用户对复合材料进行各种线性和非 线性的结构分析需求。其中包括:

    1)、复合材料的疲劳失效分析

    确定和评价复合材料在交变载荷作用下的性能(损伤 和破坏等)是复合材料工程应用必须考虑的问题。大 量研究结果表明,复合材料具有优异的疲劳性能,而 在交变载荷的作用下,复合材料通常表现出非常复杂 的破坏现象。复合材料本身存在有基体开裂、界面脱 胶乃至分层等破坏现象。

    图 7:疲劳失效的形式

    MSC Nastran可以实现逐步失效分析PFA(Progressive Failure Analysis),可用于复合材料破坏分析。可以 预测复合材料纤维或树酯本体破坏以及体结构的层间 分离和失效。针对各种失效的形式,包括:正轴拉伸 纤维损伤(图7 a.)、正轴压缩纤维损伤(图7 b.)、 横向拉伸疲劳纤维损伤(图7 c.)、横向压缩疲劳纤 维损伤(图7 d.)、面内剪切疲劳纤维损伤(图7 e.)。 如图7所示。

    MSC Nastran中可以通过各种失效準则判断失效, 其 中 包 括:Maximum principal stress、Maximum principal strain、Hoffman、Hill、Tsai-Wu、Hashin (Tape and Fabric)、Puck 等。 图 8 为 应 用 MSC Nastran进行渐进疲劳失效分析的案例。模型定义了 7层复合材料,承受拉伸载荷。进行PFA分析,在各 层全部失效后元素的强度就不再被考虑。图9显示了 不同时刻的Failure index。图10为刚性椭圆柱撞击复合材料壳体的分析实例,模型包含5层材料,采用 Puck失效準则与渐进失效选项,计算外层材料的损伤。

    图 8: MSC Nastran 针对某机身进行失效分析

     

    图 9:复合材料失效分析 Failure index 结果

     

    图 10:刚性椭圆柱撞击复合材料壳体图

    2)、复合材料的脱层损伤分析

    复合材料的损伤包括使用损伤和环境损伤。其中,使 用损伤有划伤、擦伤、边缘损伤以及冲击引起的分层、 脱胶、凹痕和穿透性损伤等。环境损伤包括雷电冲击 引起的表面烧蚀和分层;冰冻/熔化引起的湿膨胀和 热冲击造成的分层、脱胶;夹心结构水分侵入引起的 分层等。结构发生损伤对整体的承载能力有严重的影 响。因此,準确的模拟复合材料的损伤、脱层等破坏 就显得尤为重要。 Marc提供了用于模拟复合材料损 伤、断裂分析、裂纹萌生和扩展的功能。用户可以指 定判断準则,使用法向应力和切向应力等进行判断, 当判据满足 [σ_n/S_n ]^m+[τ/S_t ]^n>1 时,自动将 网格进行分割。如图11所示,上下两层材料之间 不存在重复节点,在进行脱层分析时,上下两侧结构 对应的网格实现了自动分割。

     

    图 11: 复合材料脱层分析(网格自动分割)

    MSC 产品在复合材料分析应用的成功案例

    案例1: Alenia Aeronautica: 义大利阿莱尼亚航空航天公司使用 MSC Nastran 针对 A/C CFRP Vertical Fin 进行 优化分析计算,设计目标为6个,定义10个边界条件, 变量类型包括铺层形状 ply shape、铺层角度 angle ply、铺层厚度 thickness ply。模型中包含 180 不同 的铺层形状,300多个铺层角度,最终目的实现减重 5%。经过分析计算,在采用不同的铺层角可实现最大 减重 12.6%。如图 13 所示。结构变形如图 14、15、 16、17所示。

    案例2: Eurocopter Deutschland GmbH( 欧洲直升机公司德 国部) 针对复材板结构采用Dytran进行了跌落过程的机身 撞击模拟。透过对模拟结果与试验数据进行了对比发 现,CAE模型能够与真实模型有很好的吻合,这样就 可放心用CAE模拟取代大量的实验测试。■

     

    图 12:意大利阿莱尼亚航空航天公司案例

    图 13:优化分析结果 -1

    图 13:优化分析结果 -2

    图 14:优化分析结果(static)

    图 15:优化分析结果(buckling)

    图 16:优化分析结果(厚度分布)

    图 17:优化分析结果(铺层角度)

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