Точно смоделировать и учесть все особенности микроструктуры таких сложных материалов как композиты – задача не из простых. Если бы при моделировании учитывались все мельчайшие детали микроструктуры материала, то вычислительная мощность, необходимая для расчёта такой модели методом конечных элементов (МКЭ), значительно бы превышала доступную на сегодняшний день.

Микроструктура материала может быть слишком сложной, чтобы детально учесть в модели все её особенности. Например, когда в решётчатом кронштейне (справа), разработанном при помощи топологической оптимизации, используется композит с волокнами различной направлености (слева).

Учитывая тенденцию ко всё большему усложнению геометрии в расчётных моделях (например, топологически оптимизированные конструкции и сборки), увеличиваются также и требования к вычислительной мощности, необходимой для выполнения расчёта. Если помимо сложной геометрии проектируемые изделия также имеют сложную микроструктуру, выполнить такой расчёт можно только после предварительного усреднения (гомогенизации) свойств материала.

Программный продукт Ansys Material Designer, доступный в рамках лицензии Ansys Mechanical Enterprise, позволяет выполнить оптимизацию микроструктуры и усреднение свойств сложных материалов и композитов.

Ниже представлено видео с подробной демонстрацией работы программного продукта Material Designer:

Демонстрация возможностей программного продукта Material Designer по получению гомогенизированных свойств сложных материалов и композитов

Определение микроструктуры композитного материала при помощи программного продукта Material Designer

Программный продукт Material Designer позволяет определить отклик представительного объёма материала с неоднородной структурой и воспроизвести его в гомогенизированной макромодели

Программный продукт Material Designer позволяет вычислять упругие и тепловые свойства материалов неоднородной структуры, таких как композиты. В качестве исходных данных используются свойства составляющих материалов и геометрия представительного объёма (RVE – representative volume element) с отмоделированной явным образом микроструктурой. Представительный объём определяется как минимальный объём материала, необходимый для статистически точного описания типичных свойств материала, проявляющихся в макромоделях.

Программный продукт Material Designer предоставляет список стандартных микроструктур (RVE-объёмов), но пользователи могут также создавать собственные микроструктуры (User Defined)

В программном продукте Material Designer пользователи могут редактировать размеры и изменять свойства материалов представительного объёма. Помимо использования стандартных микроструктур, можно также создавать нестандартные RVE-объёмы. Доступны следующие стандартные микроструктуры:

• однонаправленные волокна;
• тканые волокна;
• короткие неупорядоченные волокна;
• длинные неупорядоченные волокна;
• короткие упорядоченные волокна;
• длинные упорядоченные волокна.

Кроме микроструктур для композиционных материалов, можно также использовать решётчатую микроструктуру. Тип такой решётки можно выбрать из шаблонов, предоставленных в программе (бриллиант, куб, октаэдр или пирамида), или задать вручную.

Моделирование микроструктуры сложных и композитных материалов при помощи Material Designer

Между ячейками блоков Material Designer можно установить связи, что позволяет рассчитать свойства материала в любой точке изделия на разных уровнях гомогенизации

Усреднённые свойства микроструктуры материала, рассчитанные в программном продукте Material Designer, можно затем использовать в модуле Ansys Mechanical или передать в другие модули в расчётной среде Ansys Workbench. Свойства материала, вычисленные при помощи программного продукта Material Designer, можно повторно использовать в последующих расчётах. Это означает, что после завершения исследования нового материала или композита, полученные данные можно использовать для моделирования других деталей.

Кроме того, в окне проекта Ansys Workbench можно установить связь между ячейками блоков Material Designer, что позволяет рассчитывать свойства материала на различных уровнях (волокно, нить, ткань) и в различных местах изделия (например, при изменении угла между нитями).

И наконец, расчёт, выполняемый в модуле Material Designer, может быть полностью параметризован, что позволяет оптимизировать структуру представительных объёмов и свойств материалов, используя их параметры в обычном процессе оптимизации.

Больше информации о программном продукте Material Designer и однонаправленных композитах вы можете узнать из статьи The Use of Material Designer for Analyses of UD Composite Materials (на английском языке).

Источник: www.ansys.soften.com.ua