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Composite Materials Module

Modellare i compositi per migliorare la progettazione del prodotto

Un materiale composito è un materiale eterogeneo composto da due o più costituenti integrati per migliorare le prestazioni strutturali. Il Composite Materials Module è un add-on dello Structural Mechanics Module che offre strumenti di modellazione e funzionalità su misura per l'analisi di strutture composite stratificate. I materiali compositi stratificati, come la plastica rinforzata con fibre, le piastre laminate e i pannelli sandwich, sono ampiamente utilizzati nella produzione di componenti per aerei, componenti per veicoli spaziali, pale eoliche, componenti per automobili, edifici, scafi di imbarcazioni, biciclette e attrezzature di sicurezza.

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Tre pale di una turbina eolica che mostrano lo stress sulla pelle (a sinistra), lo stress sui longheroni (al centro) e il sistema di coordinate locali dello shell (a destra).

Teorie per definire e visualizzare i laminati

L'analisi di shell compositi laminati è comunemente basata sulla teoria dell'elasticità tridimensionale o sulla teoria del singolo strato equivalente (ESL).

Il Composite Materials Module utilizza la tecnologia specializzata dei materiali stratificati e offre due approcci che possono essere usati per modellare accuratamente gli shell compositi: la layerwise theory e la equivalent single layer theory. L'approccio per strati (layerwise theory) è adatto per shell compositi spessi o moderatamente sottili con un numero limitato di strati. La teoria dello strato singolo equivalente (equivalent single layer theory) è adatta a shell sottili o moderatamente spessi e può adattarsi a molti strati senza un impatto significativo sulle prestazioni. Usando queste teorie, è possibile ottimizzare il layup e altri parametri di un laminato eseguendo analisi multiscala, multifisiche e varie analisi di rottura.

Cosa puoi modellare con il Composite Materials Module

Esegui varie analisi strutturali per i laminati compositi con il software COMSOL®.

Visualizzazione in primo piano di un modello di cella unitaria con fibra e resina.

Micromeccanica/Macromeccanica

Calcola le proprietà del materiale omogeneizzato e le risposte macroscopiche dei laminati compositi.

A close-up view of macro and micro stresses in the composite material.

Multiscale Analysis

Evaluate the structural response of a composite structure both at the macroscale and at the microscale.

Sollecitazione e spostamento di un modello di struttura a parete metallica.

Materiali non lineari1

Incorporare modelli di materiali non lineari in un composito a strati.

Visualizzazione in primo piano dei diversi valori di forza di shell laminati.

Delaminazione

Modello di inizio e propagazione della delaminazione in una piastra composita.

Visualizzazione in primo piano del modo di instabilità dei cilindri compositi.

Buckling lineare

Calcolare i fattori di carico critici in condizioni di carico di compressione e di estremità fissa.

Visualizzazione in primo piano di un modello di shell laminato che mostra i fattori di sicurezza di Hoffman.

Cedimento del primo strato

Valutare l'integrità strutturale di uno shell composito laminato.

Visualizzazione in primo piano di un modello composito laminato che mostra il layup iniziale e quello ottimizzato.

Ottimizzazione composito3

Ottimizzare le stratificazioni dei compositi, gli spessori degli strati, gli orientamenti delle fibre e le proprietà dei materiali.

A close-up view of a composite plate connected to the solid and shell domains.

Structural Connections

Couple composite laminates with other structural elements from various structural mechanics interfaces.

  1. Richiede il Nonlinear Structural Materials Module
  2. Richiede il Multibody Dynamics Module
  3. Richiede l'Optimization Module

Strumenti specializzati per definire e visualizzare i laminati

Il Composite Materials Module offre una serie di strumenti specializzati per visualizzare i laminati compositi che sono composti da diversi strati.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Layered Shell evidenziato e un modello di pannello in composito nella finestra Graphics.

Approccio stratificato/interfaccia Layer Shell

L'interfaccia Layered Shell, disponibile in 3D, fornisce un approccio basato sulla teoria degli strati per un'analisi dettagliata dei laminati compositi. I materiali nei singoli strati possono essere non lineari. Supporta anche diversi ordini di forma per il campo di spostamento nella superficie di riferimento e nella direzione che attraversa lo spessore. I risultati includono distribuzioni complete di stress e deformazione in 3D, in modo da poter calcolare gli stress interlaminari e studiare, per esempio, le variazioni di stress all'interno di ogni lamina.

A close-up view of the Layered Shell–Shell Connection settings and a composite blade in the Graphics window.

Mixed Approach/Multiple Model Method

The Layered Shell interface based on layerwise theory is accurate but computationally expensive. The Shell interface based on an equivalent single layer theory is computationally lean but unable to capture accurate through-thickness results. The multiple model method — which combines these two theories in the different parts of a composite laminate — is the best choice in terms of accuracy and performance for modeling sandwich composite structures.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Layered Linear Elastic Material evidenziato e due finestre Graphics.

Funzionalità materiale stratificato

Il nodo Layered Material può essere usato per definire un layup dove ogni strato ha i propri dati di materiale, spessore e orientamento principale. I materiali stratificati definiti in questo modo possono essere combinati usando il nodo Layered Material Stack per creare materiali stratificati più complessi, che è particolarmente conveniente quando la stratificazione è ripetitiva o quando si modella il drop-off degli strati. Si possono anche definire le proprietà dei materiali per le interfacce tra gli strati.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Layered Material Slice evidenziato e cilindri compositi nella finestra Graphics.

Grafico della sezione del materiale stratificato

Il grafico Layered Material Slice fornisce più libertà in termini di creazione di sezioni in un laminato composito. È utile quando si crea una sezione solo attraverso uno o pochi strati selezionati o quando si crea una sezione attraverso alcuni o tutti gli strati, ma non necessariamente collocandoli nella direzione attraverso lo spessore. Può anche essere usato quando si esamina un particolare strato in dettaglio e si crea una sezione in una particolare posizione all'interno di uno strato che non è il piano medio.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Layered Linear Elastic Material evidenziato e un modello di turbina eolica nella finestra Graphics.

Approccio a strato singolo equivalente/interfaccia shell

L'interfaccia Shell è arricchita da un modello di materiale, Layered Linear Elastic Material, che calcola le proprietà omogeneizzate del materiale dell'intero laminato e risolve solo al piano medio. I risultati includono distribuzioni 3D complete di stress e deformazione, in modo da poter studiare, per esempio, le variazioni di stress all'interno di ogni lamina.

Visualizzazione in primo piano della sezione Layer Selection nella finestra Settings e due finestre Graphics.

Connessione materiale stratificato

Quando si uniscono due diversi laminati in una configurazione side-by-side o si modella una situazione di drop-off degli strati, è possibile utilizzare il nodo Layered Material Stack insieme al nodo Continuity nell'interfaccia Layered Shell. L'area di connessione dei due laminati può essere controllata attraverso diverse opzioni. Gli strati collegati di entrambi i laminati possono essere visualizzati usando il grafico Layer Cross Section Preview disponibile sul nodo Continuity.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Layered Material evidenziato e un composito laminato nella finestra Graphics.

Dataset materiale stratificato

Il dataset Layered Material è usato per visualizzare i risultati della simulazione su una geometria che ha uno spessore finito. Con questo dataset, è possibile aumentare o diminuire lo spessore del laminato nella direzione normale, che è utile per visualizzare i laminati sottili. Permette anche di scalare la geometria nella direzione dello spessore per una migliore visualizzazione di laminati sottili.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Through Thickness evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics

Grafico attraverso lo spessore

Il grafico Through Thickness permette di visualizzare la variazione di qualsiasi quantità in una particolare posizione sul bordo rispetto allo spessore del laminato. È possibile selezionare uno o più punti geometrici sul confine o, a scelta, creare set di dati di punti di taglio. È anche possibile specificare direttamente le coordinate dei punti. A differenza di altri grafici, la quantità risultante è tracciata sull'asse x, mentre la coordinata dello spessore è tracciata sull'asse y.

Accoppiamenti multifisici per analisi estese

Ci sono due tipi fondamentalmente diversi di interazione tra la meccanica nel laminato e altri processi. Per i processi fisici che avvengono all'interno del laminato, è possibile risolvere tutti i fenomeni fisici simultaneamente, compresi gli accoppiamenti tra loro. In altri processi fisici, il laminato agisce come un limite per un dominio 3D dove avviene qualcosa di importante. I seguenti accoppiamenti multifisici sono disponibili con accoppiamenti integrati:

  • Trasferimento di calore1
  • Correnti elettriche2
  • Piezoelettricità2
  • Poroelasticità3
  • Interazione acustica-composito4
  • Interazione fluido-composito5
  1. Richiede Heat Transfer Module
  2. Richiede AC/DC Module o MEMS Module
  3. Richiede Porous Media Module
  4. Richiede Acoustics Module
  5. Per flussi turbolenti, richiede CFD Module
Visualizzazione in primo piano di un composito a sei strati che mostra la sollecitazione.

Trasferimento di calore e correnti elettriche

Creare un modello di riscaldamento Joule e di espansione termica all'interno di un laminato composito con tecnologia a strati.

Visualizzazione in primo piano di un modello di shell a strati che mostra lo strato piezoelettrico e metallico.

Piezoelettricità

Incorporare un materiale piezoelettrico in un laminato composito per modellare dispositivi piezoelettrici sottili e sensori.

Modello di driver a compressione che mostra la pressione.

Interazione acustica-composito

Modellare la vibroacustica accoppiando il laminato composito con un dominio acustico circostante.

Visualizzazione in primo piano di un modello rettangolare che mostra l'intensità della velocità.

Interazione fluido-composito

Combinare materiali elastici lineari stratificati per modellare laminati compositi che interagiscono con domini fluidi.

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