Е.Решетько -- конструирование на основе композитов

Шестьдесят шестое заседание Русского отделения INCOSE
Шестьдесят шестое заседание Русского отделения INCOSE

Моделеориентированная
инженерия конструкций
на основе композитных
материалов».

Решетько Е.В.
Ведущий специалист
ГК «Би Питрон»

Основные вопросы
Основные вопросы

Цель применения композиционных
материалов.
Выбор типа композиционных
материалов
Выбор технологии изготовления

Достоинства и недостатки конструкций из КМ
Достоинства и недостатки конструкций из КМ

Изделия из композиционных материалов:
Достоинства:
Высокая весовая эффективность
Коррозионная стойкость
Возможность управления механическими свойствами в пределах
детали
Формирование интегральных конструкций, уменьшение общего
количества деталей в агрегате
Получение деталей сложной формы с высоким качеством
поверхности
Немагнитные свойства
Недостатки:
Разброс исходных характеристик связующего и наполнителя
Электрохимическая коррозия с рядом металлов (для
углепластика)
Проблемы статического электричества
Проблемы ударостойкости
Более низкая огнестойкость
Более низкие рабочие температуры.
Сложности ремонта
ВЫСОКАЯ ТРУДОЕМКОСТЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПОДГОТОВКИ
ПРОИЗВОДСТВА

Типы композиционных материалов
Типы композиционных материалов

Связующий материал Армирующий материал
(матрица) (наполнитель)
Полимерные Зернистый материал
термореактивные смолы. Длинноволокнистый
Полимерные материал:
термопластичные смолы Случайная ориентация,
Керамические материалы Направленная ориентация.
Металлы Коротковолокнистый
материал.

Общие принципы проектирования конструкции из КМ

В общем виде алгоритм проектирования можно
представить в виде такой схемы

Требования к изделию и его конструкции

Требования к Характеристики
применяемым изделий-
материалам прототипов
Разработка архитектурно-
конструктивной схемы
конструкции и
База данных принципиальной
материалов технологии изготовления

Разработка
конструкции в 1-м
Проектирование
приближении


Требования к изделию и Архитектура
его конструкции Геометрия
Нагрузки
Вес….
Разработка Выбор технологии: выкладка,
архитектурно- намотка, RTM-метод,
конструктивной схемы инжекционное литьё…
конструкции и Выработка требований к
принципиальной оснастке.
технологии изготовления Выбор состава и структуры
композиционных материалов.

Проектирование Выбор наполнителя
материалов Выбор связующего
Выбор структуры материала


Разработка конструкции Выбор основных размеров,
в 1-м приближении формы и расположения
агрегатов.
Выбор основных параметров
конструктивно-силовой схемы.
Расчет нагрузок.
Построение цифрового макета.
Создание глобальной расчетной
модели.

Применение методов 3D проектирования.
Применение эффективных численных методов
расчета

Проектирование материалов в среде DIGIMAT

Композиты

Армированные пластики
Короткие волокна
Длинные волокна
Непрерывные волокна

Резины
Дисперсное упрочнение

Твердые сплавы

Керамика

Плетеные/тканевые композиты

Нано материалы


Основан на методе эффективного поля
Ключевые моменты
– Индивидуальные характеристики
матрицы и заполнителя
– Характеристики особенностей
внутренней структуры материала
Результаты
– Модель материала, учитывающая
особенности микроструктуры

Интерфейс с системой КЭ анализа
Учет данных о микроструктуре
материала
Обеспечивает связанное решение
Digimat-MF/Внешний КЭ решатель
Courtesy of:

DIGIMAT: Рабочий процесс
DIGIMAT: Рабочий процесс

Перспективный ПКМ Изготовление образца

Требования к материалу:
Жесткость, прочность, усталость…

Реверс-
инжиниринг/
Калибровка
Св-ва компонентов модели материала
Испытания:
Статика, динамика, усталость…

Свойства материала: Свойства материала:
Модули упругости, коэф. Модули упругости, коэф.
Пуассона…. Пуассона….

Связ
ан ный
анал
из

Результаты КЭ Модель:
моделирования: Сетка, граничные
Ориентация волокон, условия, нагрузки….
остаточные напряжения,
линии спая, плотность

Параметры тех. процесса:
Точки впрыска, CAD модель
температура, давление…

Зависимость методов конструирования от типа КМ

Для коротковолокнистых материалов алгоритм проектирования
можно условно представить в виде следующей схемы:

КЭ Модель: Проектирование
Сетка, граничные оснастки.
условия, Формирование
нагрузки…. производственных
CAD модель инструкций.
Твердотельная Подтверждение
3D модель заданных
детали прочностных
характеристик

Ориентация волокон,
остаточные
напряжения, линии
спая, плотность


Для деталей из длинноволокнистых материалов, получаемых
выкладкой или RTM-методом, алгоритм проектирования
можно условно представить в виде следующей схемы:

Проектирование
формообразующей
оснастки
CAD модель
3D модель
слоевой
Формирование
структуры альбомов
детали разверток слоев

КЭ Модель: Генерация NC кода
Сетка, граничные для машинного
условия,
оборудования
нагрузки….

Подтверждение
заданных
прочностных Моделирование
характеристик
виртуального
производства

Решения Dassault Systemes для проектирования конструкций из композиционных
Решения Dassault Systemes для проектирования конструкций из композиционных

CATIA v5
Composit Design
Модуль проектирования
изделий из композиционных

Развитие методов проектирования изделий из КМ
Развитие методов проектирования изделий из КМ

Исторически развитие методов проектирования
изделий из КМ шло от ручного к различным формам
автоматизированного проектирования. Условно можно
выделить три этапа:
Ручное проектировании
Проектирование с применением универсальных CAD
систем
Проектирование с применением специализированных
CAD систем

Ручное проектирования и подготовка производства
Ручное проектирования и подготовка производства

«Ручная» разработка сводится к представлению изделия в
виде комплекта чертежей , таблиц слоев и спецификации,
выполненных на кульмане. При этом подходе не решались в
достаточной степени целый ряд проблем:
Определение и задание на чертеже границ зон армирования
Оценка угрозы образования складок КМ и определение мест
подрезов
Подготовка данных для расчета на прочность
Получение разверток слоев для подготовки производства.
Позиционирования вкладышей внутри детали
Передача в производство описания оснастки сложной формы
Решение этих и многих других проблем производилось
путем отработки конструкции и технологии в опытном
производстве, что вело с увеличению срока запуска в серию и
росту стоимости проекта.
Достоинство этого вида проектирования одно:
Низкая стоимость рабочего места.

Традиционный метод проектирования и подготовки производства
Традиционный метод проектирования и подготовки производства

Проектирование Чертеж
Спецификация

Расчет на прочность Вручную
Конечный элемент с
ручным вводом
элементов сетки

Изготовление оснастки По шаблонам
ЧПУ с ручным
вводом
перемещений
фрезы

Выкладка слоев Вручную

Проектирование с применением универсальных CAD систем
Проектирование с применением универсальных CAD систем

Применение появившихся в 90-х годах программ
трехмерного моделирования позволило ускорить процесс
разработки и решить ряд проблем, характерных для
традиционного метода проектирования:
Определение и задание на чертеже границ зон армирования
Взаимная увязка элементов конструкции в пространстве.
Подготовка данных для расчета на прочность
Передача в производство описания оснастки сложной формы
Позиционирования вкладышей внутри детали

Недостатки данного подхода:
В чертеж передается только геометрия детали, но не структура.
В конечно-элементную модель передается только геометрия
детали, но не структура и не свойства материалов.
Сложности с программированием укладочных машин.

Таким образом, применение универсальных систем
оставляет достаточно большой объем неавтоматизированных
работ.

Переходной метод проектирования и подготовки производства
Переходной метод проектирования и подготовки производства

Проектирование 3D модель Чертеж

Конечный элемент с ручным
Расчет на прочность формированием сетки на основе
импортированной геометрии

Изготовление оснастки ЧПУ

Выкладка слоев Вручную
Машинная, с применением
дополнительного программного
обеспечения

ф

Проектирование с применением специализированных CAD систем

Специализированные программы - Composit Design-
позволяют вести комплексную разработку изделия. В процессе
проектирования решаются следующие задачи:

Формирование слоевой структуры
Генерация твердого тела для представления в электронном
макете и выпуска чертежной документации
Уравновешивание слоевой структуры относительно
нейтрального слоя.
Анализ слоев на корректность облегания оснастки и
формирование подрезов.
Разделение слоя на ленты в проблемных для выкладки
местах
Формирование сотовых заполнителей.
Генерация разверток слоев
Массово- инерционный анализ конструкции.
Двусторонняя интеграция с программами конечно-элементного
анализа.
Генерация чертежей с возможностью получения сечений и
видов со слоевой структурой.


Для подготовки производства Composit Design содержит
инструменты, реализующие следующие операции:
Перенос слоевой структуры на технологическую
поверхность
Наложение припусков на слоевую структуру
Выгрузка разверток слоев во внешние форматы
Формирование альбома слоев для изготовления методом
ручной выкладки.
Все производители укладочных машин поставляют
интегрированные в Composit Design пре- и
постпроцессоры для своего оборудования.

Геометрия детали может быть использована в других
модулях CATIA v5 для проектирования оснастки и получения
управляющих программ станков с ЧПУ

ф


Специализированная
Проектирование 3D модель Чертеж

Конечный элемент
Расчет на прочность автоматическим формированием
сетки на основе
импортированной геометрии

Изготовление оснастки ЧПУ

Вручную с набором разверток и
Выкладка слоев альбомом позиционирования
Машинная, с предварительной
симуляцией и проверкой
процесса

Модуль Composit Design:
Исходные данные для работы в Composit Design.
Исходные данные для работы в Composit Design.
Пререквизиты для проектирования изделия из КМ:
Базовая поверхность и границы зон постоянного армирования ,
выполненные в CATIA или импортированные из других CAD
программ.
Библиотека материалов
Результаты проектировочных расчетов
Базовая Результаты Библиотека
геометрия предварительных материалов
расчетов :
материалы;
количество слоев;
углы ориентации

Модель детали из
композиционных

Создание библиотеки материалов.
Создание библиотеки материалов.
Командой создается библиотека, в которой имеется возможность
создать необходимое количество семейств. В семейства размещают
материалы, задавая их свойства: текстуры, плотность, прочностные
характеристики и тип штриховки для чертежного модуля.

Описание параметров в Composit Design.
Описание параметров в Composit Design.
Кроме уже перечисленных исходных данных для работы с
модулем необходимо определить параметры детали – из библиотек
выбрать применяемые в конструкции материалы и перечислить
доступные углы ориентации волокон.

Основные понятия в Composit Design.
Основные понятия в Composit Design.

PLY - слой
PLIES GROUP – слои , объедененные в группу по
функциональному или технологическому принципу
SEQUENCE – слои, укладываемые машиной за один проход
ZONES GROUP – базовая поверхность с системой ориентации
слоев для формирования зон армирования
ZONE – участок детали, в пределах которого слоевая структура
имеет постоянное армирование
TRANZITION ZONE – переходные зоны между участками разного
армирования
CORE – вставка из сотового заполнителя или другого материала,
моделируется как твердотельная деталь
GRID PANEL – базовая поверхность с системой ориентации слоев и
двумя и более наборами границ, определяющих пределы
разлячных зон армирования
GRID – сетка зон армирования , получаемая на основе GRID PANEL

Ручное формирование слоистой структуры.
Ручное формирование слоистой структуры.
При проектировании деталей с постоянным армированием не
имеет смысл прибегать к сложным методам описания слоистой
структуры. Можно просто вручную задать границы слоя, материал
и и схему ориентации волокна. Затем командой Copy-Paste
добавить необходимое количество слоем, меняя в них материал и
угол ориентации.

Формирование слоистой структуры по зонам армирования.
Для проектирования деталей, имеющих несколько участков с
различным армированием, применяют метов задания слоистой
структуры по зонам. Для этого базовая поверхность детали
размечается кривыми, соответствующими границам участков
постоянного армирования. Затем создается логический элемент
ZONES GROUP, включающий в себя базовую поверхность, систему
координат, определяющую ориентацию волокон и вектор
направления, в котором откладываются слои. В структуре этого
элемента ZONES GROUP , создаются зоны (ZONE). Каждая зона
(
несет в себе информацию о границах, количестве и ориентации
слоев из каждого применяемого материала. Зоны соединяют
зонами переходов (TRANZITION ZONE).
(
После определения зон и зон переходов, становится
возможным сгенерировать твердое тело детали, поверхность по
слоям и сгенерировать слоевую структуру. В детали может быть
больше одной ZONES GROUP, неограниченное количество зон и
зон переходов. Подобный подход позволяет моделировать детали
высокой сложности, такие , как сотовые панели, оребренные
панели, двутавровые и тавровые балки и многое другое.


Пример работы с зонами:
1. Создание ZONES GROUP


1. Создание зон ZONE1 и ZONE2


2. Создание зоны перехода между зонами ZONE1 и ZONE2


3. Получение внутренней поверхности детали и твердого тела.


4. Генерация слоев.


Дальше предстоит уравновешивание структуры,
уточнение взаимоположения слоев внутри пакета… Для этого
можно выгрузить структуру во внешний файл (Excel) и выполнив
эту работу, импортировать структуру обратно в CATIA, или
использовать интерактивную таблицу слоев.
Пример интерактивной таблицы:


Пример структуры во внешнем файле (Excel) :

Формирование слоистой структуры средствами метода
GRID.
При проектировании ламинатных деталей, имеющих десятки
GRID.
зон армирования и сложные сбеги слоев, удобно использовать
инструменты, обобщенно называемые «GRID». Создается
логический элемент «Panel», содержащий в себе информацию о
базовой поверхности, сетке кривых, ограничивающих зоны
армирования, законы сбегов слоев в зонах переходов и система
ориентирования направления волокон.

GRID.
По данным из панели, создается другой логический элемент,
GRID.
называемый Grid, содержащий информацию об армировании
полученных зон. После этого становится доступным открыть
виртуальную схему армирования, в которой можно автоматически
построить симметрию относительно нейтрального слоя, провести
редактирования материала, распространения, ориентации,
положения в пакете для каждого слоя,

GRID.
Виртуальная схема армирования (Virtual Stacking Management)
GRID.
позволяет автоматически сделать симметричной слоевую структуру,
поменять положение слоя в пакете, заменить материал и
ориентацию, изменить границы слоя.

GRID.
На основе данных из предыдущих шагов, командой Plies from
GRID.
Virtual Stacking рассчитываются границы слоев детали .

GRID.
После расчета границ слоев, появляется возможность
GRID.
редактирования структуры с применением следующих команд:

Поменять местами границы слоев

Изменить геометрию границ слоев

Сформировать фаски на группе слоев

Сформировать сбег слоев

Создать участки без сбега слоев

Полученная структура может быть использованная для
построения твердого тела и внутренней поверхности

Формирование слоистой структуры из твердого тела.
В деталях средней сложности можно получать слоистую
структуру из твердого тела, построенного по зонам армирования.
Для этого создается ZONES GROUP с активной опцией For Solid From
Zones Creation Only. Далее строим зоны и зоны переходов.
Создаем твердое тело по ZONES GROUP

Полученное тело командой Slicing group разбиваем на кривые,
по которым в дальнейшем будут построены границы слоев

Далее командой Plies from slicing получаем уже слоевую
структуру, имея тело, которое можем использовать для генерации
чертежа и использовании в электронном макете изделия.

Генерация конструкторской документации.
Деталь из КМ в Composit Design имеет два представления –
твердое тело и слоевую структуру. Для Формирования чертежа
применяются оба – твердотельное для описания габаритов,
вырезов, толщин…. Слоистая структура – для описания
последовательности армирования. В модуле черчения
представлены четыре стиля, каждый из которых отвечает за одно
из представлений детали: твердотельное, контуры слоев,
разнесенные слои и развертки слоев.
Перед выпуском чертежа, после всех уточнений слоевой
структуры надо выполнить операцию разнесения слоев командой
Ply Exploder. Для получения видов разверток, в 3D
предварительно надо выполнить развертки.

Выполнение операции разнесения слоев командой Ply
Exploder

Открыв чертежный лист и, применяя стиль
DefaultGenerativeStyle, генерируются виды и сечения на основе
выбранного твердого тела детали.

В том же файле, на новом листе генерируем виды , сечения и
развертки на основе выбранной слоистой структуры, применяя
при этом стили CompositesCVSContourOnly,
CompositesCVSExplodedOnly и CompositesCVSFlattenOnly.

Подготовка данных для производства.
Подготовка данных для производства.
Для подготовки данных для производства в Composit Design
реализованы следующие функции:
Создание технологического документа.
Синхронизация технологического и конструкторского документов
Перенос слоевой структуры на технологическую поверхность.
Наложение припусков на слоевую структуру.
Выгрузка контуров слоев и разверток слоев во внешние форматы:
IGES, 2D IGES, DXF.
Формирование альбомов слоев для ручной выкладки.

Для связи с машинами для раскроя, пропитки, укладки и т.д.
применяется интегрированное в CATIA математическое обеспечение,
поставляемое производителями оборудования или компаниями –
партнерами Dassault Systemes по разработке.

Интеграция с программами инженерного анализа.
Для выполнения предварительных расчетов можно
применять прочностной модуль CATIA Analysis. Данные о
структуре и материале воспринимаются напрямую из
структуры детали.
Для проверочных расчетов посредством модуля
Composites Link, данные из Composit Design могут со
всеми свойствами переданы в NASTRAN , Abaqus или
ANSYS.
.

Analysis Composites Modeler
for Abaqus/CAE

Geometry Zone Model Ply Model Manufacture

Composites Link
Design for CATIA
CATIA Composites

Abaqus

CATIA v5/V6

Patran

Femap
ANSYS

Конец презентации
Конец презентации

Спасибо за внимание.

ГК “БИ ПИТРОН”

С-ПЕТЕРБУРГ главный офис
191014, ВИЛЕНСКИЙ ПЕР., 4
ТЕЛ. (812) 272-1666
ФАКС (812) 272-3869
www.bee-pitron.com

МОСКВА
105082 ул. Б.Почтовая д.5
ТЕЛ. (495) 601-9373
ФАКС (495) 601-9372
leonid@bee-pitron.msk.ru

Е.Решетько -- конструирование на основе композитов

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Е.Решетько -- конструирование на основе композитов

Similar to Е.Решетько -- конструирование на основе композитов (20)

More from Anatoly Levenchuk

More from Anatoly Levenchuk (20)

Е.Решетько -- конструирование на основе композитов