Моделирование и анализ прочности сэндвич-панели в ANSYS

1. Моделирование и анализ прочности
сэндвич-панели в ANSYS
Ю.В. Новожилов yury.novozhilov@cadfem-cis.ru
Д.С. Михалюк dmitry.mikhaluk@cadfem-cis.ru

2. 2
Применение сэндвич-панелей

3. 3
Модель
 Сэндвич панель
 Углеродное волокно
 Эпоксидная матрица
 Пенный заполнитель
 Консольное закрепление
 Изгибающая нагрузка

4. 4
Составные части конструкции (с учетом симметрии)
X
Y
Z
Пенообразный
заполнитель
X
Y
Z
Верхняя армирующая
панель
X
Y
Z
Нижняя армирующая
панель
Вставка
X
Y
Z

5. 5
Допущения
Классическая теория слоистых оболочек
 Идеальное сопряжение между слоями
 Свойства для каждого слоя постоянны по толщине
 Линейно-упругая связь напряжений и деформаций
 Гипотеза Рейснера-Миндлина

6. 6
Граничные условия и нагрузки
Изгибающая нагрузка
 Изгибающая нагрузка
 Условия симметрии
 Жесткое закрепление
XY
Z
Нfz 1500
Условие симметрии
XY
Z
0
0
0,
0




yzx
yyU
Жесткое закрепление
XY
Z
0
0
0
0




x
x
U

7. 7
Физические свойства материалов
Эффективные свойства однонаправденного слоя
углеродного волокна в эпоксидной матрице:
E11 = 120,0 ГПа Ʋ12 = 0,25 G12 = 4,5 ГПа
E22 = 7,5 ГПа Ʋ13 = 0,25 G13 = 4,5 ГПа
E33 = 7,5 ГПа Ʋ23 = 0,40 G23 = 2,8 ГПа
 Однонаправленное углеродное волокно
 Эпоксидная матрица
 Толщина одного слоя 0,2 мм
Эффективные свойства гомогенного пенообразного заполнителя:
E = 60,0 МПа Ʋ = 0,3 G = 25,0 МПа

8. 8
Физические свойства армирующих панелей
E11
G12
E22
1
2
94,4 ГПа
Формула укладки слоев однонаправленных волокон
0°/45°/-45°/0°/45°/-45°
X
Y
Z
Верхняя армирующая
панель
X
Y
Z
Нижняя армирующая
панель

9. Оболочечная постановка задачи

10. 10
КЭ модель
XY
Z
4-х узловые оболочечные элементы
Количество элементов (NE) 4 897
Количество узлов (NN) 5 058
Количество степеней свободы (NDOF) 30 348

11. Оболочечно-твердотельная постановка
задачи

12. 12
КЭ модель
4-х узловые оболочечные элементы
Количество элементов (NE) 11 263
Количество узлов (NN) 11 601
Количество степеней
свободы (NDOF)
69 606
X
Y
Z
20-ти узловые твердотельные элементы
Количество элементов (NE) 19 256
Количество узлов (NN) 93 762
Количество степеней
свободы (NDOF)
281 286
X
Y
Z

13. 13
Учет деформации ламината при укладке
• Potter KD. The influence of accurate stretch data for reinforcements on the production of complex structural moldings. Part 1.
Deformation of aligned sheets and fabrics. Composites 1979;10: 161-167.
• Bergsma OK, Huisman J. Deep drawing of fabric reinforced thermoplastics. In: Brebbia CA, de Wilde WP, Blain WR, editors.
Computer aided design in composite material technology, New York: Springer, 1988. p. 323-334.
• Van der Ween F. Algorithms for draping fabrics on doubly-curved surfaces. Int J Numer Meth Eng 1991;31:1415-1426.




4
1
2
2
cosmin
cos
2
1
min
i
iE
GE



Энергетический алгоритм

14. 14
Учет деформации ламината при укладке
 Расположении складок
 Изменение ориентации волокон
 Изменение толщины ламината
 Геометрия выкройки

15. Анализ результатов

16. 16
Результаты: модуль вектора перемещений
20,0 мм
15,5 мм
11,1 мм
0 мм
4,4 мм
8,9 мм
17,2 мм
13,4 мм
9,6 мм
0 мм
3,8 мм
7,7 мм
Различия 17 %
X
Y
Z
Оболочечная модель
Оболочечно-твердотельная модель

17. 17
Результаты: разрушение пенообразного заполнителя
X
Y
Z
Оболочечная модель
fail
1
0
Критерий разрушения заполнителя
– максимум касательных
напряжений
КПаRQ
RQ
f
800
,max 1323












18. 18
Результаты: разрушение армирующих панелей
Критерий Хашина
разрушения матрицы
X
Y
Z
Оболочечная модель
МПаY
МПаS
SY
f
t
t
m
55
70
0, 2
2
12
2
2














 

МПаS
МПаY
МПаX
SYX
f f
70
55
650
,,max 1221











Критерий
максимальных
напряжений
(растяжение)

19. 19
Результаты: разрушение армирующих панелей
fail
1
0
Критерий Хашина
разрушения
матрицы
Критерий максимальных
напряжений (растяжение)
МПаY
МПаS
SY
f
t
t
m
55
70
0, 2
2
12
2
2














 

МПаS
МПаY
МПаX
SYX
f f
70
55
650
,,max 1221












20. 20
Сравнение разрушения армирующих панелей
fail
1
0
Критерий Хашина разрушения
матрицы
Критерий максимальных напряжений
(растяжение)
Оболочечная модель
0, 2
2
12
2
2












 

SY
f
t
m







SYX
f f
1221
,,max


21. 21
Сравнение разрушения армирующих панелей
fail
1
0
Критерий максимальных напряжений
(растяжение) в 4 слое верхней панели
Оболочечная модель
Оболочечно-твердотельная модель







SYX
f f
1221
,,max


22. 22
Выводы
 Совпадение зон возможного разрушения
 Удалось сравнить разные подходы моделирования сэндвич панелей
 Удалось учесть расположении складок и деформацию слоев
 Удалось учесть изменение ориентации волокон
 Получена оптимальная геометрия выкройки

23. Спасибо за внимание!
Ю.В. Новожилов yury.novozhilov@cadfem-cis.ru
Д.С. Михалюк dmitry.mikhaluk@cadfem-cis.ru