КЭ анализ, прошитая стекловолокнистая структура, гомогинизация,

1. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
1
КЭ анализ пространственного напряженного
состояния прошитой стекловолокнистой
структуры на мезоуровне

2. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
2
Структура и свойства материалов
Материал
Модуль
Юнга (E)
Коэффициен
т Пуассона (υ)
Стекло 76 GPa 0.3
Эпоксидная
смола
3.5 GPa 0.3
Z
Y
X
2D эскиз
2D фотография
композитной структуры
3D фотография
композитной структуры
Пучок
стеклянных
волок
Эпоксидное
связующее

3. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
3
Размеры модели
15.09
3.75
0.60.08
0.08
8.25
0.25
3.44
1.51
R= 0.3
Z = 8.25
X
Y
0
Все размеры даны в мм

4. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
4
Гомогенизация для пуска волокон
Результаты
EX = 10.33 GPa GXY = 3.81GPa υxy = 0.2852
EY = 10.33 GPa GYZ = 4.10 GPa υxz = 0.0702
EZ = 44.13 GPa GXZ = 4.10 GPa υxz = 0.0702
¼ ячейки
периодичности
2D фотография
композитной структцры
2D эскиз
гексагональной укладки
NE 12 144
NN 36 861
NDF 73 772
Vf = 56 %

5. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
5
2D фотография композитной структуры
3D КЭ модель
КЭ модель и граничные условия
Квадратичные 20-узловые КЭ
NE 391 400
NN 1 617 262
NDF 4 851 786
Линейная упругая модель материала
UZ(Z=0) = 0
UZ(Z=8.25 mm) = 0.05% * 8.25 mm = 4.125 μm
Z=8.25
X
Y
0

6. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
6
Поворот тензора жесткости
~ 40 слоев КЭ
1
1
2
3
2
Ориентация локальных системы координат
(LCS) для каждого слоя элементов

7. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
7
КЭ результаты
σz в пучках волокон, Па
Без учета поворота LCS
C учетом поворота LCS
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y

8. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
8
Проверка достоверности результатов
Средние σz (для слоя КЭ), MPa
Без учета
поворота
LCS
Аналитическое
решение
(прямые пучки)
22.1
КЭ решение
(учет волнистости)
21.6
C учетом
поворота
LCS
Аналитическое
решение
(прямые пучки)
20.9
КЭ решение
(учет волнистости)
18.9
σz в пучках волокон, Па
Z
X
Y
Рассматриваемы
слой
Z
X
Y

9. St.Petersburg State Polytechnical University
Computational Mechanics Laboratory
ANSYS/LS-DYNA Center of Excellence
www.fea.ru
9
Эффективный модуль Юнга (EZ) для модели и
максимальные σz в пучке стеклянных волокон
Особенности
геометрии
EZ FE,
GPa
σz max FE,
MPa
Прямые
пучки волокон
38.1 22.2
Волнистые
пучки волокон
37.8 25.2
Волнистые
пучки волокон и
учет поворота LCS
33.2 21.6
Эффективныймодульюнга(EZ),ГПа
σzmaxFE,MPa