Метод конструкции и анализа, предложенный в исследовании, позволяет быстро и точно проводить виртуальное тестирование композитных ламинатов, что приводит к оптимальным конструкциям, экономя при этом время и материальные затраты. Кредит: Кёнхун Ли из Пусанского национального университета
Композитные ламинаты, состоящие из склеенных слоев различных материалов, находят широкое применение в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, автомобильную и судостроительную, благодаря их исключительному соотношению прочности к массе тела и индивидуальным механическим свойствам. Из-за различных прочностей и свойств, обусловленных различным направлением волокон, анализ конструкции и оптимизация композитных ламинатов требуют повторяющихся числовых симуляций для исследования различных материалов слоев и последовательностей укладки.
Для таких симуляций исследователи обычно используют известный конечно-элементный (КЭ) анализ, основанный на трехмерной (3D) теории упругости. Однако большие степени свободы (DOF) композитных ламинатов делают трехмерный КЭ анализ ресурсоемким, требующим много времени и непрактичным для повторяющихся симуляций. Поэтому необходим численный метод, который является таким же точным, как КЭ анализ, но при этом более быстрым и гибким.
Решая эти проблемы, профессор Кёнхун Ли и Шинсон Кан с кафедры аэрокосмической техники Пусанского национального университета разработали инновационный метод конструирования и анализа композитных ламинатов, подобный Lego.
«Вдохновленные методами субструктурирования и моделирования с пониженным порядком (ROM), мы разработали двухэтапную офлайн-онлайн структуру, которая использует компонентно-ориентированный ROM. Подобно кубикам Lego, наша технология позволяет нам легко менять материалы слоев, включая углы волокон, количество слоев и последовательность их укладки, чтобы создавать композитный ламинат на лету, обеспечивая быстрое, но точное моделирование», — объясняет профессор Ли.
Их исследование было опубликовано в International Journal of Mechanical Sciences 21 июня 2024 г.
В компонентном ROM сложные системы разбиваются на более простые подсистемы, которые индивидуально анализируются с помощью ROM. Этот метод ROM включает разработку сокращенных моделей с меньшими степенями свободы. Для достижения этой цели исследователи использовали статическую конденсацию (SC) в сочетании с методами сокращения портов (PR) и сокращенного базисного элемента (RBE), что привело к методам анализа PR-SC и PR-SCRBE.
Метод SC позволяет укладывать любое количество слоев в любой последовательности по мере необходимости, рассматривая каждый слой композитного ламината как компонент. Затем метод PR уменьшает глубины резкости связанных границ слоев, ускоряя процесс решения. Наконец, метод RBE позволяет быстро и точно оценивать внутридоменные решения слоев для изменений в материалах слоев.
Эта техника работает в два этапа: офлайн-этап и онлайн-этап. На офлайн-этапе составляется библиотека композитных слоев, параметрически представляющих различные материалы слоев и углы волокон. На онлайн-этапе композитный ламинат конструируется по требованию путем настройки материалов слоев, углов волокон и последовательности укладки. Затем этот сконструированный ламинат анализируется с использованием метода PR-SC или метода PR-SCRBE, если требуется больше вычислительной эффективности, чем точности.
Исследователи продемонстрировали технику в трехточечном испытании на изгиб и испытании на растяжение, оценив точность и эффективность методов PR-SC и PR-SCRBE. Для каждого примера они использовали три разных композитных ламината с разными слоями.
Результаты показали, что анализ PR-SC имел незначительную потерю точности по сравнению с анализом FE при улучшении скорости. С другой стороны, PR-SCRBE показал умеренную потерю точности при гораздо большем улучшении скорости. Исследователи предлагают использовать PR-SC для точности и PR-SCRBE для эффективности по мере необходимости.
«Используя предлагаемую методику виртуального тестирования композитов, мы можем определить оптимальные конструкции, минимизируя при этом временные и материальные затраты. Эта методика предлагает значительные потенциальные преимущества в различных областях. Например, более качественные композиты могут привести к созданию более легких и прочных самолетов и автомобилей с улучшенной экономией топлива и сниженным уровнем загрязнения.
«Кроме того, энергетическая промышленность может использовать эту методику для разработки цифровых двойников активов, что позволит осуществлять мониторинг в реальном времени и значительно сократить расходы на техническое обслуживание», — замечает полный надежд профессор Ли, подчеркивая потенциальные возможности применения этой методики.
В заключение следует отметить, что эта инновационная методика предлагает жизнеспособную альтернативу громоздкой методике анализа 3D FE для повторного анализа композитных ламинатов.
Дополнительная информация: Шинсон Кан и др., «Конструирование и анализ композитных ламинатов в стиле Lego на лету», Международный журнал механических наук (2024). DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2024.109458 Предоставлено Пусанским национальным университетом
