Modelowanie oraz optymalizacja kompozytów w środowisku Simcenter 3D

Wykorzystanie Simcenter Laminate Composites (LC) umożliwia optymalizację podstawowych właściwości materiału laminatu np. minimalizację jego masy, modyfikację kątów warstw, grubości warstw, materiału warstw lub poprzez usuwanie warstw. Artykuł ten pokazuje etapy modelowania i optymalizacji kompozytów w środowisku Simcenter 3D na przykładzie modelu płyty satelity (Honeycomb Deck).

Na podstawie przygotowanej płyty satelity (Honeycomb Deck) (rys.1), przeprowadzono procedurę optymalizacji kompozytów pod względem grubości, kąta oraz całkowitej masy.

Model CAD i siatki obliczeniowej płyty satelity (Honeycomb Deck)
Rys. 1. Model CAD i siatka obliczeniowa płytki satelity (Honeycomb Deck).

Przed przystąpieniem do optymalizacji należy w pierwszej kolejności przygotować model poprzez ustawienie odpowiedniego typu elementu (rys.2).

Zdefiniowanie typu elementu – Laminat na utworzonej grupie siatek.
Rys. 2. Zdefiniowanie typu elementu – Laminat na utworzonej grupie siatek.

W dalszej kolejności przejdźmy do tworzenie warstw laminatu otwierając okno dialogowe do modelowania laminatu (rys.3).

Lokalizacja przycisku otwierającego okno dialogowe do modelowania laminatu
Rys. 3. Lokalizacja przycisku otwierającego okno dialogowe do modelowania laminatu.

W oknie dialogowym do modelowania laminatu przygotowano odpowiednio warstwy laminatu z uwzględnieniem odpowiednie grubości, kierunki ułożenia warstw, materiału, dodatkowo zdefiniowanie formułę ułożenia warstw laminatu oraz kryterium uszkodzenia warstw laminatu według teorii Hoffmana, dla której zostanie dokonana optymalizacja dla płaskiego stanu naprężeń (rys.4).

Modelowanie oraz optymalizacja kompozytów w Simcenter 3D - Przygotowanie warstw laminatu
Rys. 4. Przygotowanie warstw laminatu

W oknie dialogowym Narzędzia do modelowania laminatu rozwinięto zakładkę optymalizacja, która pozwoliła do zdefiniowania parametrów optymalizacyjnych (rys.5).

Lokalizacja zakładki optymalizacja wraz z przyciskiem do zdefiniowania parametrów
Rys.5. Lokalizacja zakładki optymalizacja wraz z przyciskiem do zdefiniowania parametrów

Ustawiono odpowiednie kryterium optymalizacji. Warstwy od 1 do 8 mogą zmieniać swą grubość w zakresie od 0,03 do 0,06, kąt w zakresie od -90 do 90 stopni (rys.6). Natomiast stempel wzmacniający może zmieniać swą grubość w zakresie od 6 do 12 mm, zaś kąt, który może przyjmować, to 0 lub 90 stopni (rys.7). Dodatkowo zaznaczono opcję, która umożliwia zrezygnowania z warstw od 5 do 6 i ich usunięcie, jeśli zajdzie taka konieczność.

Parametry optymalizacyjne warstwy 1 do 8
Rys.6. Parametry optymalizacyjne warstwy 1 do 8

 

Parametry optymalizacyjne warstwy 11 – stempel wzmacniający
Rys.7. Parametry optymalizacyjne warstwy 11 – stempel wzmacniający

Kryteria analizy:

Maksymalne obciążenie panelu wynosi odpowiednio:

  • moment zginający względem osi X na jednostkę długości , MX = 1000 N
  • moment zginający względem osi Y na jednostkę długości , MY = 1000 N

Funkcją celu optymalizacji jest minimalizacja całkowitej masy laminatu przy następujących warunkach:

  • Należy utrzymać częstość drgań własnych powyżej 80Hz.
  • Wskaźnik uszkodzenia warstwy laminatu < 1.
  • Zredukować całkowitą masę.

Wskaźnik uszkodzenia warstwy laminatu według teorii Hoffmana dla płaskiego stanu 2D obliczony jest zgodnie z wzorami:

Wzór na wskaźnik uszkodzenia warstwy laminatu według teorii Hoffmana dla płaskiego stanu 2D

 

W celu przeprowadzenia optymalizacji należy kliknąć przycisk -> Uruchom proces optymalizacji (rys. 8). Program przeprowadzi optymalizację warstw laminatu i poda wyniki w formie pliku …csv. Podgląd wyników wraz z zaproponowanymi wariantami optymalizacji z poziomu arkusza kalkulacyjnego Excel (tab. 1-2)

Modelowanie oraz optymalizacja kompozytów w Simcenter 3D
Rys.8. Lokalizacja przycisku do uruchomienia procesu optymalizacji

 

Proponowane warianty optymalizacyjne
Tab.1 Proponowane warianty optymalizacyjne

 

Proponowana liczba warstw wraz z sugerowanymi grubościami i kątami dla 5 wariantu optymalizacyjnego
Tab. 2. Proponowana liczba warstw wraz z sugerowanymi grubościami i kątami dla 5 wariantu optymalizacyjnego

Metoda optymalizacji jest niezwykle ważna dla wstępnego i szybkiego oszacowania wytrzymałości konstrukcji kompozytowej. Zauważmy, że dzięki procesowi optymalizacji w środowisku Simcenter Laminate Composite, całkowita masa spadła z 70 do 21 kg, przy przeniesieniu odpowiednio tych samych obciążeń. Dodatkowo został spełniony warunek, że wskaźnik uszkodzenia warstwy laminatu jest mniejszy niż 1 oraz częstotliwość drgań własnych nie jest mniejsza niż zakładana wartość wynosząca 80 Hz.

W celu zapoznania się ze szczegółami omawianych funkcjonalności zapraszamy do oglądnięcia filmu poniżej.

opracował
Marek Rudy
marek.rudy@gmsystem.pl

Skontaktuj się z nami