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利用複合材料結構建模,改進產品設計

複合材料是由兩種或兩種以上綜合成分組成以增強結構性能的非均質材料。與傳統材料相比,複合材料具有重量輕、強度高等特點,在眾多領域具有廣泛的潛在應用。工業界目前正在進行大量的研發工作,希望將感測、驅動、計算和通信等功能嵌入複合材料,以製造出智能型複合材料。只有全面了解這種材料的性能,才能設計出最準確可靠的複合材料結構。

用於分析層狀複合材料的專業軟體

複合材料模組結構力學模組的附加模組,提供了專門用於分析多層複合結構的建模工具和功能。常見的層狀複合材料包括纖維增強塑料、層合板和夾層板等,這些複合材料廣泛應用於製造飛機部件、航天器部件、風力發電機葉片、汽車零部件、建築物、船體、自行車以及安全設備。複合材料模組基於專業的多層材料技術,提供了分層理論等效單層理論這兩種方法來準確模擬複合材料殼。

此外,您還可以將複合材料模組COMSOL ®產品庫中的其他模組結合使用,以擴展對複合材料結構的多物理場分析,可包含熱傳、電磁學和流體流動效應——實現在同一個模擬環境中執行所有模擬分析。

 

複合材料模組支援的建模功能

結構力學模組提供多個預定義的物理場介面,其中包含許多專用設置,方便用戶更輕鬆地設置和運行各種分析。複合材料模組包含用於復合材料層合板模擬的附加介面和材料模型,供用戶根據層理論和分析類型選用。除了常規的結構分析外(例如穩態分析、特徵頻率分析、瞬態分析、線性屈曲分析等),軟體還支援執行首層失效分析和多尺度建模。由於復合材料層合板是工程材料,具有多種不同的失效模式,因此在工程上,需要對複合材料層合板執行各種失效分析。

除此之外,結合優化模組還可以優化複合材料的幾何尺寸、複合材料鋪層、層片厚度、纖維方向和材料屬性等。

請閱讀下文,詳細了解複合材料模組的相關功能。

分層法

 

基於分層理論,多層殼介面支持對三維複合材料層合板的詳細分析。邊界條件既可以施加在各單層上,也可以放置在層之間的各個界面上,各單層可以採用非線性材料。對於參考表面和全厚度方向上的位移場,這個介面還支援選擇形函數階次。分析結果包含全三維應力和應變分佈,方便您計算層間應力並研究每個鋪層內的應力變化。

此介面適用於分析層數有限、較厚到中等厚度的複合殼。

 

等效單層法

在殼介面中可以調用複合材料模組中自帶的多層線彈性材料模型,該模型基於一階剪切變形理論,是一種等效單層理論,將所有層聚整合等效材料。分析結果包含全三維應力和應變分佈,可以幫助您研究每個鋪層內的應力變化等。

這種材料模型適用於較薄到中等厚度的殼,可以包含許多層,層數不會對性能產生顯著影響。

 

微觀力學分析

複合材料層合板的分析相對而言比較困難,這是因為其中涉及不同的幾何尺度。在兩種不同尺度上執行的分析分別稱為微觀力學分析和巨觀力學分析。

鋪層通常由纖維和基體材料組成,其均質屬性取決於各成分的屬性以及各成分混合的體積分數。微觀力學分析主要用於模擬各個鋪層或其代表單元(含纖維和基體材料),目的是計算鋪層的均質材料屬性。

首層失效分析

您可以基於任一層合板理論來執行首層失效分析,此外,還可以根據以下準則計算失效指數或安全係數:

  • von Mises 各向同性
  • Tresca 各向同性
  • Rankine 各向同性
  • St. Venant 各向同性
  • Jenkins 正交各向異
  • Waddoups 正交各向異性
  • Tsai-Hill 正交各向異性
  • Hoffman 正交各向異性
  • Tsai-Wu 正交各向異性
  • Tsai-Wu 各向異性

除此之外,等效單層理論還支持以下失效準則:

  • Azzi-Tasi-Hill 正交各向異
  • Norris 正交各向異性
  • 修正Tsai-Hill 正交各向異性

線性屈曲分析

 

複合材料層合板的屈曲是一種常見現象,因此這也是設計時考慮的一個重要標誌。對於復合材料層合板的設計來說,是否能夠承受壓縮或扭轉屈曲載荷至關重要。在COMSOL Multiphysics ®軟體中,您可以基於任何一種層合板理論來計算複合材料層合板的臨界屈曲載荷因子。

分層建模

 

複合材料層合板由許多粘合或層疊在一起的層組成。在不同的載荷條件(尤其是衝擊載荷)下,兩層之間的膠合可能在特定區域發生斷裂。因此,要準確預測受損複合材料層合板的響應,對分層區域建模就變得至關重要。

您可以使用COMSOL Multiphysics ®中基於分層理論的多層殼介面來實現這一操作,其中,彈性薄層,界面節點可用於模擬複合材料層合板各個層之間的分層區域。


結構力學模組的其他附加模組結合使用

 

利用多物理場耦合,擴展複合材料分析

在通常情況下,在設計複合材料層合板時工程上主要考慮的是結構分析。然而,在一些特殊情況下,還必須考慮其他物理效應的影響。在層合板結構與其他物理過程發生相互作用時有兩種完全不同的方式:發生在層合板層內的相互作用以及層合板作為邊界時發生的相互作用。

與電磁-熱效應耦合

熱和電效應通常是發生在層合板內非常顯著一種物理效應,在層合板設計過程中,精確的分析此耦合效應非常重要。借助多層材料技術,用戶不僅可以在同一多層材料中使用不同的物理場介面,還能同時求解所有物理現象,以及不同物理場之間的耦合作用。從結構設計的角度來看,兩種層合板理論都可以與復合材料層合板的熱電耦合模擬相結合,分析如復合材料層合板的焦耳熱和熱膨脹等問題。

使用多物理場耦合功能來分析電磁-熱效應時,需要用到熱傳模組和AC/DC模組。

與流體、聲學分析耦合

在其他一些物理過程中,層合板常常用作域邊界,而域內往往發生一些重要的物理過程,如流體流動等。這種情況下,用戶可以通過介面中基於等效單層理論的多層線彈性材料,通過-固耦合多物理場耦合節點將復合材料層合板與周圍流體進行耦合。與CFD模組相結合,可以利用此功能分析層流和湍流。

同樣,您也可以將此模組與聲學模組相結合,通過-結構邊界多物理場耦合節點將復合材料層合板與周圍聲學域進行耦合,實現振動聲學問題建模。

 

層合板定義和可視化專用工具

複合材料層合板由多個層組成,並且各單層的材料、纖維方向、厚度等屬性各不相同。複合材料模組提供一組專用的工具,不僅可以直觀地顯示鋪層,還能方便地提供相關信息。此外,由於復合材料層合板本質上具有各向異性,並且在全厚度方向通常是非均質的,因此僅在參考表面計算結果往往是不夠的。您需要計算每一層以及全厚度方向的結果。

六層複合材料中由加熱引起的等效應力分佈。

多層材料特徵

多層材料節點可用於定義鋪層,其中每一層都具有自己的材料數據、厚度和主方向。

以這種方式定義的多層材料可以通過多層材料堆疊節點進行組合,用於創建更複雜的多層材料,當舖層重複或是對削層建模時,這種做法非常方便。此外,您還可以為層間界面定義材料屬性。

層預覽圖

該模組提供兩種預覽圖用於將復合材料鋪層的輸入數據可視化:層堆疊預覽橫截面層預覽

層堆疊預覽圖描繪層數以及每層中的主纖維方向。橫截面層預覽圖顯示每層的厚度以及參考平面的位置。

多層材料連接

當以並行結構連接兩個不同的層合板或者模擬削層情況時,可以將多層殼介面中的多層材料堆疊節點與連續性節點結合使用。

兩個層合板的連接區域可以通過不同的選項來控制。您可以使用連續性節點中的橫截面層預覽繪圖將這兩個層合板的連接層可視化。

多層材料數據集

即使將復合材料層合板作為表面(二維)幾何元素建模,您也可以使用多層材料數據集在有限厚度的幾何結構上將結果可視化。

此外,您還可以沿厚度方向縮放幾何結構,以薄層合板的形式獲取更佳的顯示效果。

利用此數據集,您可以將結果繪製成三維幾何結構中的表面或切面。

多層材料切面圖

多層材料切面繪圖能為您在復合材料層合板中創建切面提供更大的自由度,該繪圖適用於以下情況:

·        創建僅穿過一個或幾個選定層的切面

·        創建穿過一些或所有層的切面,但這些層不一定置於全厚度方向

·        詳細檢查特定層,並在該層內非中面的特定位置創建切面

全厚度圖

您可以利用全厚度圖將邊界上特定位置的任意物理量在層合板厚度方向的變化情況進行可視化。您可以在該邊界上選擇一個或多個幾何點,也可以創建截點數據集,還可以直接指定點坐標。與其他曲線圖不同的是,該繪圖的結果物理量繪製在x軸上,而厚度坐標繪製在y軸上。

多層材料的鋪層和層堆疊預覽圖,其中顯示每層的主纖維方向。

由五個子層合板組成的層合板的橫截面。圖中顯示每層厚度和參考平面位置。

兩種並排多層材料之間的連接,圖中描繪了削層結構。

使用多層材料數據集為較厚三層層合板生成的不同類型的可視化效果。

圖中的管設計為五層複合材料層合板,顯示了管的所有層中的應力。

 

三層層合板中的橫向剪切應力,圖中將多層殼介面中的計算結果與精確的三維解進行比較。

 

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