Материалы по вычислению эффективных свойств композиционных материалов в Фидесис

В статье рассматривается статическая задача, где цилиндрическая оболочка моделируется как многослойная ортотропная конструкция. Угол намотки армирующей ленты принят равным 30°.

В данной задаче используется ориентация материала в цилиндрической и сферической системах координат, что позволяет корректно учитывать технологический процесс намотки композитных конструкций.

Построение геометрической модели

Создайте окружность. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Кривая, Действие - Создать. Из выплывающего списка выберите Дуга или окружность и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Создайте поверхность при помощи вытягивания кривой. Для этого на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Создать. Из выпадающего списка выберите Протяжка и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Сделайте протяжку кривой 2.

Сделайте протяжку кривой 4.

Срастите все кривые. Для этого на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Кривая, Действие - Срастить. Из выпадающего списка выберите Срастить и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Создайте вершину. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Вершина, Действие - Создать. Из выплывающего списка выберите Расположение и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Проделайте то же самое для расположений: 0 0 0, 1.8 0 0, 2.1 0 0.

Создайте дугу. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Кривая, Действие - Создать. Из выпадающего списка выберите Дуга или окружность и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Повторите те же самые действия для создания второй дуги.

Создайте поверхность при помощи вытягивания кривой. Для этого на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Создать. Из выплывающего списка выберите Протяжка и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Разрежьте модель. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Разрез. Из выпадающего списка выберите Радиус цилиндра и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Удалите круглые поверхности на торцах. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Удалить. Введите ID поверхностей и нажмите Применить.

Еще раз разрежьте модель. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Разрез. Из выпадающего списка выберите Координатная плоскость и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Отобразите нормали поверхностей, чтобы убедиться, что все они смотрят в одну сторону. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Обратить нормали. В настройках Отобразить направления нормалей выберите все поверхности и нажмите Применить.

Нормали цилиндрических поверхностей смотрят в другую сторону, чтобы их отобразить, в той же панели команд укажите ID поверхностей 12 и 13. Нажмите Применить. Чтобы убрать отображение нормалей нажмите на кнопку .

Создание материалов

Создайте материал. На панели команд выберите Режим - Материал, Объект - Управление материалами. В открывшемся виджете Управление материалами в средней колонке укажите имя 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. Задайте значения и нажмите Применить.

Закройте окно Управление материалами.

Создание СК

Создайте цилиндрическую СК, относительно которой будут ориентироваться слои многослойного пакета на цилиндрических поверхностях. На панели команд выберите Режим - Системы координат, Системы координат - Создать. Из выпадающего списка выберите Цилиндрическая и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Также создайте сферическую СК, относительно которой будут ориентироваться слои многослойного пакета на сферических поверхностях. Из выпадающего списка выберите Сферическая и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Построение сетки

Постройте сетку на модели. На панели команд выберите Режим - Сетка, Объект - Поверхностная, Действие - Интервалы. Из выпадающего списка выберите Задать размер и задайте необходимые параметры. Нажмите Применить, Построить сетку.

Создание блоков

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, Цилиндрическая СК 2. Затем необходимо задать свойства оболочки, для этого нажмите на кнопку . Введите необходимые параметры. Нажмите Применить.

Закройте окно Задать свойства оболочки. Нажмите Применить.

Для задания свойств второму блоку в выпадающих списках выберите: Оболочка, Сферическая СК 3. Далее задайте ранее созданное свойство оболочки 1. Нажмите Применить.

Задание граничных условий

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

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

Закрепите другой торец. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Перемещение, Действие - Создать. Задайте необходимые параметры. 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, Начать расчет.

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.

Отобразите деформированный вид модели. Установите фокус в дереве объектов на ваш файл и примените для него фильтр Фильтры - Алфавитный указатель - Деформировать по вектору. Во вкладке Свойства установите значение 670 в поле Множитель масштаба. Нажмите Применить.

Далее примените фильтр Фильтры - Алфавитный указатель - Системы координат. В появившемся фильтре на странице Свойств выберите тип СК слоев оболочек и установите необходимые величины для обработки. Нажмите Применить. В результате можно посмотреть напряжения в системе координат каждого слоя:

Напряжения по YY вдоль волокна 1-го слоя:

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.

reset
create curve arc radius 0.3 center location 0 0 0 normal 1 0 0 start angle 0 stop angle 360 
sweep curve 1  vector 1 0 0  distance 0.04 
sweep curve 2 vector 1 0 0  distance 1.72 
sweep curve 4 vector 1 0 0  distance  0.04 
merge curve all 
create vertex location -0.3 0 0 
create vertex location 0 0 0 
create vertex location 1.8 0 0 
create vertex location 2.1 0 0 
create curve arc center vertex 8  7  1  
create curve arc center vertex 9  10  5  
sweep curve 11 10  xaxis angle 360 
webcut body 4 5  with cylinder radius 0.08 axis x 
delete Surface 7 9 
webcut body all with plane yplane offset 0 
merge curve all 
surface 12 13 normal opposit
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 'DENSITY' value 1490
create cs type cylindrical origin 0 0 0 dir1 vector 0 1 0 dir2 vector 0 0 1
create cs type spherical origin 0 0 0 dir1 vector 0 1 0 dir2 vector 0 0 1
surface all size 0.02
mesh surface all
set duplicate block elements off
block 1 add surface 11 13 15 14 12 10 
set duplicate block elements off
block 2 add surface 16 17 18 19 
create shell properties 1
modify shell properties 1 layer count 6
modify shell properties 1 layer 1 thickness 0.001
modify shell properties 1 layer 1 material 1
modify shell properties 1 layer 1 angle 60
modify shell properties 1 layer 2 thickness 0.001
modify shell properties 1 layer 2 material 1
modify shell properties 1 layer 2 angle 120
modify shell properties 1 layer 3 thickness 0.001
modify shell properties 1 layer 3 material 1
modify shell properties 1 layer 3 angle 60
modify shell properties 1 layer 4 thickness 0.001
modify shell properties 1 layer 4 material 1
modify shell properties 1 layer 4 angle 120
modify shell properties 1 layer 5 thickness 0.001
modify shell properties 1 layer 5 material 1
modify shell properties 1 layer 5 angle 60
modify shell properties 1 layer 6 thickness 0.001
modify shell properties 1 layer 6 material 1
modify shell properties 1 layer 6 angle 120
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 2 category shell order 1
block 'Block 1' shell properties 1
block 'Block 2' cs 3 category shell order 1
block 'Block 2' shell properties 1
create pressure  on surface all magnitude -10000 
create displacement  on curve 58 53  dof 1 dof 2 dof 3 fix 0 
create displacement  on curve 47 49  dof 2 dof 3 fix 0 
analysis type static elasticity dim3
static results everysubstep 1
output nodalforce on energy off midresults on record3d on material on without_smoothing off fullperiodic off
solver method direct use_uzawa auto try_other off

Расчет цилиндрической композитной оболочки, изготовленной методом намотки