Расчет запасов прочности многослойной композитной пластины, подкрепленной параллелепипедами и нагруженной давлением

Рассматривается статический расчет многослойной пластины, которая моделируется многослойной ортотропной оболочкой. Пластина подкреплена параллелепипедами, которые моделируются объемными конечными элементами. Модель нагружается давлением и закрепляется на торцах.

Фильтр Запас прочности композитов позволяет вычислять запасы прочности для многослойных оболочек, слои которых выполнены из ортотропных материалов.

Предполагается, что каждый монослой работает в условиях плоского напряжённого состояния. Фильтр Запас прочности композитов работает только с оболочечными конечными элементами и рассматривает 2D теории прочности.

Построение геометрии

Создайте плоскость. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Создать. Из выплывающего списка выберите Прямоугольник и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Переместите созданную плоскость. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Преобразовать. Из выплывающего списка выберите Переместить и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Создайте два одинаковых твердотельных параллелепипеда. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Создать. Из выплывающего списка выберите Параллелепипед и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Не меняя параметры, проделайте то же самое для создания второго параллелепипеда.

Переместите первый созданный параллелепипед. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Преобразовать. Из выплывающего списка выберите Переместить и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Далее переместите второй созданный параллелепипед.

Срастите все кривые модели. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Кривая, Действие - Срастить. Из выплывающего списка выберите Срастить и задайте ID кривых. Нажмите Применить.

Построение сетки

Постройте сетку на поверхности. На панели команд выберите Режим - Сетка, Объект - Поверхностная, Действие - Интервалы. Из выплывающего списка выберите Задать размер. Задайте необходимые параметры и нажмите Применить, Построить сетку.

Постройте сетку на объемах. На панели команд выберите Режим - Сетка, Объект - Объемная, Действие - Интервалы. Из выплывающего списка выберите Задать размер. Задайте необходимые параметры и нажмите Применить, Построить сетку.

Задание материала и свойств блока

Создайте первый материал. На панели команд выберите Режим - Материал, Объект - Управление материалами. В открывшемся виджете Управление материалами в средней колонке укажите имя первого материала. В колонке свойств откройте список Упругость и перетащите Ортотропный материал в колонку Свойства материала, затем в левой колонке перейдите в раздел и перетащите Общие → Плотность, Прочность → Ортотропная прочность по напряжениям. Задайте значения:

• Модуль Юнга X: 1.21e+11;
• Модуль Юнга Y: 8.6e+09;
• Модуль Юнга Z: 8.6e+09;
• Главный коэффициент Пуассона XY: 0.27;
• Главный коэффициент Пуассона XZ: 0.27;
• Главный коэффициент Пуассона YZ: 0.4;
• Модуль сдвига XY: 4.7e+09;
• Модуль сдвига XZ: 4.7e+09;
• Модуль сдвига YZ: 3.1e+09;
• Плотность: 1490;
• Предел прочности X: 2.231e+09;
• Предел прочности на сжатие X: 1.082e+09;
• Предел прочности Y: 2.9e+07;
• Предел прочности на сжатие Y: 1e+08;
• Предел прочности Z: 2.9e+07;
• Предел прочности на сжатие Z: 1e+08;
• Предел прочности на сдвиг XY: 6e+07;
• Предел прочности на сдвиг XZ: 6e+07;
• Предел прочности на сдвиг YZ: 3.2e+07.

Нажмите Применить.

Создайте второй материал. Перетащите Углеродистая сталь из колонки Импортированный материал в окно Материал. Нажмите Применить.

Закройте окно Управление материалами.

Создайте первый блок. На панели команд выберите Режим - Блоки, Объект - Блок, Действие - Добавить сущность в блок. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Создайте второй блок. На панели команд выберите Режим - Блоки, Объект - Блок, Действие - Добавить сущность в блок. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Задайте свойства первому блоку. На панели команд выберите Режим - Блоки, Объект - Блок, Действие - Свойства/параметры блока. Задайте ID блока и выберите из выпадающих списков: Оболочка. Затем необходимо задать свойства оболочки, для этого нажмите на кнопку . Введите необходимые параметры. Нажмите Применить.

Закройте окно Задать свойства оболочки. Нажмите Применить.

Задайте свойства второму блоку. На панели команд выберите Режим - Блоки, Объект - Блок, Действие - Свойства/параметры блока. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Задание граничных условий

Жестко закрепите модель в перемещениях. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Перемещение, Действие - Создать. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Приложите давление. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Давление, Действие - Создать. Укажите необходимые параметры и нажмите Применить.

Запуск расчета

Задайте настройки расчета. На панели команд выберите Режим - Настройки расчета, Настройки расчета - Статический, Статический - Общие. Задайте требуемые параметры и нажмите Применить.

Задайте параметры решателя. На панели команд выберите Режим - Настройки расчета, Настройки расчета - Статический, Статический - Решатель. Выберите тип решателя и нажмите Применить.

Задайте дополнительные настройки. На панели команд выберите Режим - Настройки расчета, Настройки расчета - Статический, Статический - Поля вывода. Задайте требуемые параметры и нажмите Применить.

Анализ результатов

Откройте файл с результатами. Это можно сделать тремя способами:

• Нажмите Ctrl+E;

• В главном меню выберите Расчёт - Открыть результат;

• На панели команд выберите Результаты (Режим - Результаты, Результаты - Открыть Результат).

Появится окно FidesysViewer, в котором вы сможете ознакомиться с результатами расчёта.

На верхней панели выберите данные результата расчета для отображения. Из первого выпадающего списка выберите Перемещения, из второго – Сумма.

Далее отобразите только оболочечные КЭ с помощью фильтра Порог, для этого на верхней строке выберите Фильтры – Алфавитный указатель – Порог. В появившемся окне свойств укажите необходимые параметры и нажмите Применить.

Оцените запасы прочности в первом слое с помощью критерия Цая-Ву, для этого выберите на верхней строке Фильтры – Алфавитный указатель – Запас прочности композитов. В появившемся окне свойств нажмите Применить. Далее установите отображение Запас прочности композитов (оболочка, слой 1) - Критерий Цая-Ву.

Сделайте раскраску запасов не такой плавной, а разделенной на зоны. Для этого необходимо воспользоваться инструментом Редактор цвета (Вид - Редактор цвета).

В появившемся окне необходимо установить число табличных значений - 12.

В результате картинка распределения запасов будет выглядеть так:

Далее воспользуйтесь расширенными настройками, чтобы сгладить картину результатов. Оставаясь в фильтре запас прочности, нажмите на кнопку Изменить дополнительный настройки.

В расширенных свойствах установите Нелинейный уровень деления - 4.

В результате картинка распределения запасов стала более гладкая.

Использование консольного интерфейса

Построение геометрии, генерацию сетки, задание граничных условий и материалов можно выполнить с использованием консольного интерфейса. Ниже приведён код программы, позволяющий выполнить шаги описанного выше руководства, необходимо только самостоятельно указать полный путь и название сохраняемого файла.

###guid:7a0f934bc3b0
###body:
reset
create surface rectangle width 1 height 0.5 zplane 
move Surface 1  x 0.5 y 0.25 include_merged 
brick x 1 y 0.025 z 0.05
brick x 1 y 0.025 z 0.05
move Volume 2  x 0.5 y -0.0125 z 0.025 include_merged 
move Volume 3 x 0.5 y 0.5125 z 0.025 include_merged 
merge curve all 
surface 1 size 0.025
surface 1 size 0.025
mesh surface 1
volume 3 2  size 0.025
volume 3 2  size 0.025
mesh volume 3 2 
create material 1
modify material 1 name 'углеволокно'
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_G_YZ' value 3.1e+09
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_G_XZ' value 4.7e+09
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_G_XY' value 4.7e+09
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_PR_YZ' value 0.4
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_PR_XZ' value 0.27
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_PR_XY' value 0.27
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_E_Z' value 8.6e+09
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_E_Y' value 8.6e+09
modify material 1 set property 'ORTHOTROPIC_E_X' value 1.21e+11
modify material 1 set property 'ORTHO_SHEAR_STRENGTH_YZ' value 3.2e+07
modify material 1 set property 'ORTHO_SHEAR_STRENGTH_XZ' value 6e+07
modify material 1 set property 'ORTHO_SHEAR_STRENGTH_XY' value 6e+07
modify material 1 set property 'ORTHO_COMPR_STRENGTH_Z' value 1e+08
modify material 1 set property 'ORTHO_TENSILE_STRENGTH_Z' value 2.9e+07
modify material 1 set property 'ORTHO_COMPR_STRENGTH_Y' value 1e+08
modify material 1 set property 'ORTHO_TENSILE_STRENGTH_Y' value 2.9e+07
modify material 1 set property 'ORTHO_COMPR_STRENGTH_X' value 1.082e+09
modify material 1 set property 'ORTHO_TENSILE_STRENGTH_X' value 2.231e+09
modify material 1 set property 'DENSITY' value 1490
create material 2 from 'Углеродистая сталь'
set duplicate block elements off
block 1 add surface 1 
set duplicate block elements off
block 2 add volume 2 3 
create shell properties 1
modify shell properties 1 layer count 3
modify shell properties 1 layer 1 thickness 0.0005
modify shell properties 1 layer 1 material 1
modify shell properties 1 layer 1 angle 45
modify shell properties 1 layer 2 thickness 0.0005
modify shell properties 1 layer 2 material 1
modify shell properties 1 layer 2 angle -45
modify shell properties 1 layer 3 thickness 0.0005
modify shell properties 1 layer 3 material 1
modify shell properties 1 layer 3 angle 90
modify shell properties 1 eccentricity 0.5
modify shell properties 1 layer direction normal
modify shell properties 1 thickness_change on
block 'Block 1' cs 1 category shell order 2
block 'Block 1' shell properties 1
block 'Block 2' material 2 cs 1 category solid order 1
create pressure  on surface 1 9 3  magnitude -1800 
create displacement  on curve 2 23 24 21 4 9 11 10  dof all fix 0 
analysis type static elasticity dim3
solver method direct use_uzawa auto try_other off
static results everysubstep 1
output nodalforce on energy off midresults on record3d on material on without_smoothing off fullperiodic off