Когда перед инженерами стоит задача заменить металлическую деталь на деталь из композитных материалов, наиболее простым и привлекательным для них путём является сохранение геометрии и задание самой простой укладки (равномерного распределения слоёв по углам), которая приводит к получению квази-изотропного композита. При этом задача перехода на композиционный материал, казалось бы, будет выполненной.

Такая методика проектирования – замена алюминия на квази-изотропный слоистый углепластик – называется методикой «black metal design» (термин произошёл от тёмного цвета композита). В расчётах используются свойства изотропного «эквивалентного металла» вместо анизотропных свойств композита. Недостатком этой методики является то, что она не позволяет создать деталь с оптимальными характеристиками. Замена эквивалентным металлом всё ещё является распространенным явлением, но использующие её инженеры не реализуют преимущества композитных материалов в полной мере – а одним из таких преимуществ является высокая прочность в направлении волокон.

Для замены первоначальной конструкции действительно высокоэффективным композитным изделием инженерам необходимо использовать инструменты численного моделирования.

Ограничения использования методики «black metal design» при проектировании

Инженеры предпочитают проектирование с использованием эквивалентного металла по множеству причин – в частности, этот подход ускоряет разработку за счёт применения уже существующих и хорошо освоенных расчётных методик.

Проблема состоит в том, что грамотная оценка прочности композитной конструкции, состоящей из нескольких по-разному ориентированных слоев с различными характеристиками, значительно сложнее, чем конструкции из металла. Вместе с тем, использование специально предназначенных для этого инструментов численного моделирования позволяет решить возникающие при этом проблемы.

Вдобавок, эти инструменты позволяют оценить не только прочностные, но и технологические характеристики изделия. В частности, можно проверить возможность изготовления композитной детали с помощью моделирования процессов укладки и отверждения.

Для моделирования композитов используются два подхода: моделирование на основе локальных зон (zone-based) и на основе схемы укладки слоёв (ply-based). Первый подход несколько ограничен по возможностям, в то время как второй кажется слишком громоздким. Но на самом деле, моделирование на основе схемы укладки слоёв защищает конструкцию от чрезмерного упрощения. Оно также позволяет инженерам работать с моделями деталей именно в том виде, в котором они будут изготовлены. А по мере усложнения конструкции послойное моделирование становится более гибким в плане внесения изменений.

Таким образом, для разработки оптимальной схемы укладки слоев для новой композитной детали лучше применять именно подход «ply-based».

Проблемы моделирования композитных деталей на основе схемы укладки слоёв

Сложная схема укладки слоев может вызвать проблемы при анализе прочности детали из композита.

В рамках подхода «black metal design» с квази-изотропными слоями прочность обычно оценивают по главным относительным деформациям на внешней поверхности детали. Однако для полного использования возможностей конструкции из композита, необходимо проведение послойной оценки.

Еще одна сложность заключается в том, что матрица и волокна композита имеют разную прочность и разрушаются по-разному. Следовательно, критерии разрушения для детали из композитного материала должны учитывать сложные модели расчета напряженного состояния и соответствующие им механизмы разрушения.

После того, как определен полный набор критериев прочности, инженеры могут начать анализ композитной конструкции и довести ее эффективность до предела возможностей. Сделать это на базе однородной модели эквивалентного металла не представляется возможным.

Как избежать и исправить коробления, возникающие при производстве композитов

К сожалению, легкая слоистая конструкция, оптимизированная по критериям прочности, вряд ли будет симметричной и сбалансированной. Иногда асимметричная укладка слоев используется специально для управления направлением выпучивания, если в эксплуатации детали допускается потеря устойчивости. Однако, изготовление детали с такой сложной укладкой может быть трудной задачей.

Чем больше неравномерность и асимметричность укладки, тем больше деталь будет подвержена искажениям в процессе производства. По мере отверждения матрицы, окружающей волокна, в ней происходят фазовые изменения. Каждый слой отверждается в разные моменты времени, что создает внутренние напряжения, которые могут привести к преждевременному разрушению детали.

Детали с равномерной толщиной, спроектированные по методике «black metal design», также не свободны от этих рисков; однако, при наличии в компании производственного опыта, они, как правило, менее выражены, и их легче исправить.
Инженерам необходимо использовать моделирование, чтобы оценить формирование внутренних напряжений в процессе отверждения детали и учесть их при разработке. С помощью этих данных можно снизить искажения, задав ограничения на асимметрию каждого слоя. Кроме этого, можно решать обратную задачу: инженеры могут разработать производственный процесс таким образом, чтобы компенсировать коробление. Другими словами, численное моделирование – это ключ к разработке детали из композитного материала, которая в процессе производства искривится так, чтобы приобрести желаемую форму.

Несомненно, прочностная оптимизация деталей из слоистых композитов с учетом послойного моделирования связана с рядом трудностей. Но их можно успешно преодолеть, используя численное моделирование в ANSYS.

Более подробную информацию можно найти на странице с обзором продуктов ANSYS для композитных материалов.

Источник: www.ansys.soften.com.ua