Logo cs.build-repair.com
Rozvoj 2023

Lepší Porozumění Vlastnostem Materiálu Díky Vícefyzikální Simulaci

Obsah:

Lepší Porozumění Vlastnostem Materiálu Díky Vícefyzikální Simulaci
Lepší Porozumění Vlastnostem Materiálu Díky Vícefyzikální Simulaci

Video: Lepší Porozumění Vlastnostem Materiálu Díky Vícefyzikální Simulaci

Video: Lepší Porozumění Vlastnostem Materiálu Díky Vícefyzikální Simulaci
Video: Сознание и Личность. От заведомо мёртвого к вечно Живому 2023, Březen
Anonim

Kompozit je heterogenní materiál, který se skládá z nejméně dvou integrovaných komponent pro zlepšení strukturální výkonnosti. Multifyzikální simulace umožňuje kombinované mechanické, tepelné a elektromagnetické analýzy kompozitních materiálů. V závislosti na aplikaci jsou také možné interakce kompozitu, například s proudy nebo akustikou. Pro účinnost a proveditelnost takových analýz je rozhodující numerická implementace, která musí být přizpůsobena různým velikostním měřítkům a poměrům délek kompozitních materiálů.

Tip semináře

Seminář z lehkých konstrukčních materiálů učí metody, principy návrhu a způsoby konstrukce pro lehké konstrukce. Účastníci získají přehled o různých lehkých materiálech, naučí se kritéria pro výběr materiálů a dozví se o výhodách, nevýhodách a rizicích různých materiálů.

Makroskopické vlastnosti z mikroskopických jednotkových buněk

Díky charakteristické struktuře laminátů z vláken a materiálů matrice závisí homogenizované makroskopické vlastnosti na mikroskopických vlastnostech a příslušných objemových frakcích. Mikromechanické analýzy se používají k modelování jednotlivých vrstev nebo reprezentativních jednotkových buněk vyrobených z vlákna a matrice s cílem určit makroskopické vlastnosti a použít je pro vlastní modelování.

Obrázek 1: Reprezentativní jednotková buňka pro vláknitý kompozit s 20% objemovou frakcí vláken. Model se používá k určení ekvivalentního anizotropního materiálu, který se používá v makroskopickém modelu
Obrázek 1: Reprezentativní jednotková buňka pro vláknitý kompozit s 20% objemovou frakcí vláken. Model se používá k určení ekvivalentního anizotropního materiálu, který se používá v makroskopickém modelu

Dva přístupy pro simulaci vrstevnatých kompozitů

Multifyzikální simulace celých komponent, které se skládají z mnoha tenkých vrstev, je vysoce účinná pouze tehdy, pokud struktury vrstev nemusí být explicitně vyřešeny a propojeny do sítě; protože by to vedlo k extrémně jemným a výpočetně složitým síťovým strukturám. V praxi jsou zapotřebí přístupy účinněji využívající zdroje:

  • Ekvivalentní přístup jediná vrstva je jeden takový přístup. Je založen na teorii střižné deformace prvního řádu, třídě ekvivalentní jednovrstvé teorie, ve které jsou všechny vrstvy sloučeny do ekvivalentního materiálu. Výsledky zahrnují kompletní 3D rozdělení napětí a deformace, takže lze například zkoumat kolísání napětí v každé vrstvě.
  • Layerwise přístup je přístup založený na vrstvené teorie pro přesnější analýzu kompozitních laminátů. Hraniční podmínky lze umístit na jednotlivé vrstvy i na jednotlivé rozhraní mezi vrstvami. Materiály v jednotlivých vrstvách mohou být nelineární. Výsledky zahrnují kompletní 3D rozložení napětí a deformace, takže lze například vypočítat interlaminární napětí a zkoumat kolísání napětí v každé vrstvě.

Příklad použití: Analýza lopatky větrné turbíny

Větrné turbíny byly v roce 2019 nejdůležitějším alternativním zdrojem energie v Německu, takže návrh, analýza a výroba větrných turbín jsou pro energetický průmysl nesmírně důležité. Tyto listy rotoru jsou kritické komponenty větrné turbíny; Při výrobě elektrické energie rotací musí odolávat různým typům zatížení, jako je vítr, gravitační a odstředivé zatížení, a přitom být co nejúčinnější a nejtišší. Samotná velikost listu rotoru vyžaduje lehké a silné materiály a kompozitní materiály jsou k tomu dobře vhodné.

Obrázek 2: Simulace dynamického zatížení listu rotoru větrné turbíny je založena na možnosti uvažovat vrstvenou strukturu. Tyto výsledky ukazují od shora dolů tvar módu, lokální směry orientace a také Misesova napětí ve vnější kůži a ve sparech při gravitačním a odstředivém zatížení
Obrázek 2: Simulace dynamického zatížení listu rotoru větrné turbíny je založena na možnosti uvažovat vrstvenou strukturu. Tyto výsledky ukazují od shora dolů tvar módu, lokální směry orientace a také Misesova napětí ve vnější kůži a ve sparech při gravitačním a odstředivém zatížení

Tento příklad ukazuje, jak analyzovat list rotoru složený ze směsi uhlíkové epoxidové pryskyřice, vinylesteru skla a pěny z PVC. List rotoru je konstruován jako sendvičová struktura, ve které je jádro z pěny z PVC zabudováno mezi uhlíkovou epoxidovou pryskyřici a skleněný vinylester.

  • Nejprve se provede analýza napětí lopatky, ve které je vystavena kombinaci gravitačního a odstředivého zatížení, které odpovídá skutečným provozním podmínkám. Deformace hrotu čepele, maximální hodnoty napětí a rozdělení napětí v určitém bodě na čepeli se vypočítají pro různé zatěžovací stavy.
  • Pro typický rozsah provozních rychlostí se pak provede předpjatá analýza přirozené frekvence. Tímto způsobem získáte změnu přirozených kmitočtů s rychlostí, což je velmi důležitá informace pro bezpečný provoz větrných turbín. Tato varianta může být jasně znázorněna v Campbellově diagramu (obrázek 2).
Obrázek 3. Výsledek studie parametrů pro různé rychlosti je uveden v Campbellově diagramu. Je zřejmé, že přirozené frekvence lopatek rotoru větrné turbíny se při zvyšování rychlosti posouvají na různé frekvence s různou intenzitou
Obrázek 3. Výsledek studie parametrů pro různé rychlosti je uveden v Campbellově diagramu. Je zřejmé, že přirozené frekvence lopatek rotoru větrné turbíny se při zvyšování rychlosti posouvají na různé frekvence s různou intenzitou

Tip semináře

Seminář systematického výběru materiálu učí vztah mezi výrobou materiálu, strukturou materiálu a výslednými vlastnostmi materiálu. Cílem je představit holistické znázornění procesu výběru materiálu, počínaje vytvořením profilu požadavků, předběžným výběrem až po jemný výběr a posouzení rizik.

Multifyzika rozšiřuje možnosti aplikace

Složené díly jsou často navrženy podle čistě strukturálních mechanických požadavků, ale v některých případech je třeba vzít v úvahu i jiné fyzikální jevy. V takových případech je třeba stanovit a vypočítat vícefyzikální vazby mezi mechanikou a těmito dalšími jevy. Rozlišujeme dva zásadně odlišné typy interakce mezi mechanikou v kompozitu a těmito dalšími jevy:

  • Interakce uvnitř složených vrstev a
  • ty, které se vyskytují na vnějších kompozitních hranách.

Fyzické procesy, které probíhají v laminátu, zahrnují tepelné a elektrické interakce. Při navrhování laminátu je důležité zvážit simultánní účinek těchto účinků. Obě uvedené teorie vrstev mohou být spojeny s tepelným a elektrickým modelováním kompozitních materiálů.

Příklady spojených procesů

Typickým příkladem aplikace takových spojených procesů je Joulovo zahřívání a výsledná tepelná roztažnost kompozitního materiálu. Ten může být způsoben i jinými zdroji tepla, jako je laserové záření

Obrázek 4: Rozložení teploty a deformace (upscaled) vyplývající z tepelné roztažnosti 6-vrstvového kompozitního profilu H zahřátého laserovým paprskem
Obrázek 4: Rozložení teploty a deformace (upscaled) vyplývající z tepelné roztažnosti 6-vrstvového kompozitního profilu H zahřátého laserovým paprskem

Dalším příkladem vícefyzikálních vazeb je analýza piezoelektrických vrstev, které jsou zabudovány do kompozitních laminátů

Obrázek 5: Vícevrstvé bednění s piezoelektrickou vrstvou vloženou uprostřed. Axiální komprese a posun mimo rovinu jsou znázorněny v piezoelektrické vrstvě (mřížce) a v okolních kovových vrstvách
Obrázek 5: Vícevrstvé bednění s piezoelektrickou vrstvou vloženou uprostřed. Axiální komprese a posun mimo rovinu jsou znázorněny v piezoelektrické vrstvě (mřížce) a v okolních kovových vrstvách
  • V jiných fyzických procesech laminát působí jako hranice 3D oblasti, ve které se vyskytují klíčové procesy. Například je možné spojit kompozitní laminát s tokem okolní tekutiny a tak vypočítat přenos síly mezi laminátem a tokem kolem tekutiny. Tato vazba by například vyžadovala zohlednění aerodynamických sil v lopatce větrné turbíny.
  • Další spojení je zřejmé pro piezoelektrický prvek: Šíření zvuku v důsledku piezoelektrických vibrací zvukového převodníku nebo naopak může být vibrace zvukového senzoru buzeného akustickými vlnami simulována spojováním vrstvených kompozitů a akustických zvukových vln.

* Dr. Phillip Oberdorfer a Maria Iuga Römer, Comsol Multiphysics GmbH

Populární podle témat