WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

«Анализ прогрессирующего разрушения композита при помощи линейного статического решателя (SOL 101) MSC Nastran 2007r1 Косарев В.А. ...»

Анализ прогрессирующего разрушения композита при

помощи линейного статического решателя (SOL 101) MSC

Nastran 2007r1

Косарев В.А. (ОАО «НИАТ»)

Сегодня сложно представить процесс разработки конструкции из

полимерного композитного материала (ПКМ) без применения современных

CAE-систем. В системах MSC Software, благодаря открытой архитектуре,

пользователь имеет возможность создания собственных «надстроек» и

приложений, что позволяет не только облегчить труд разработчика, но и

получить качественно новые возможности системы. В ОАО «НИАТ» на базе возможностей линейного статического решателя SOL 101 коммерческого продукта MSC Nastran 2007r1 разработана методика анализа прогрессирующего разрушения конструкций из слоистых ПКМ. Сравнение результатов расчета по предлагаемой методике с результатами расчета в MD Nastran 2011.1 показали хорошую сходимость.

Введение Бурное развитие материаловедения и как следствие появление как качественно так и принципиально новых материалов, доступных сегодня для различных производственных отраслей, заставляет производителей пересматривать свои взгляды как на саму продукцию так и на весь ее жизненный цикл. В современном денежном обществе целым рядом мировых компаний уже продемонстрирована эффективность от применения современных материалов (Boeing, Airbus и др.), а сопутствующей поддержкой для их внедрения занимаются десятки научных институтов и компаний по всему миру (NASA, DLR и др.). Однако, без применение эффективных и достоверных методов анализа сложного механизма поведения современных материалов, в частности, композитов, процесс внедрения может вылиться в существенные финансовые затраты на проведение необходимых физических испытаний, что поставит под сомнение саму идею применения композитов в производстве.



Актуальность наличия инструмента, позволяющего прогнозировать зарождение и дальнейшее развития повреждения в композите подтверждается событиями на CAE-рынке, изобилующими за последние 3 года в области «технологий моделирования композитов».

Важным конкурентным преимуществом программных продуктов корпорации MSC Software, по мнению автора доклада, является предоставление конечному пользователю возможности работы напрямую с параметрами задачи в виде текстовых файлов (.bdf;.f06), а также наличие собственного встроенного языка программирования PCL. Все это позволяет пользователю создавать собственные опции и приложения. Так, автором доклада была разработана методика конечно-элементного анализа прогрессирующего разрушения ПКМ, заключающаяся в сведении физически-нелинейной задачи прочности к последовательному ряду линейно-упругих задач и объединению их решений.

Методика реализована для анализа прогрессирующего разрушения конструкций из слоистого ПКМ в плоской постановке с применением линейного статического решателя (SOL101) в MSC Nastran 2007r1.

Объект исследования В качестве объекта исследования процесса зарождения и развития разрушения рассмотрен плоский образец конечных размеров с круглым отверстием, защемленный по одной из коротких сторон и нагруженный растягивающим усилием вдоль длинной стороны. Данная задача моделирования испытания на растяжение была рассмотрена в качестве практического занятия на семинаре «Composites Technology Day» в 2012 году в Санта-Ане, Калифорния. Оригинальный пошаговый пример анализа прогрессирующего разрушения образца с отверстием при помощи решателя MD Nastran 2011.1 доступен в сети Интернет [1]. Параметрические данные исследуемого образца, а также принципиальная расчетная схема и свойства применяемого композитного материала были взяты в полном соответствии с данным примером. Все единицы измерения длин и весов приведены в Английской системе мер. Габаритные размеры образца 6х1.5 in, диаметр отверстия 0.25 in. Оригинальная конечноэлементная модель образца с отверстием изображена на рисунке 1.





Рисунок 1 — оригинальная КЭ модель элементарного образца с отверстием Материал Образец выполнен из однонаправленного ПКМ с физико-механическими свойствами:

E 1= 17e6 psi ; E 2= 1.4e6 psi ; 12= 0.34 ;G12= 0.45e6 psi

–  –  –

Структурно образец представляет собой симметричную конструкцию, составленную из 15-ти слоев, расположенных друг относительно друга в соответствии с ниже представленной схемой армирования:

[(45 / 45)2 /90 /45/ 45/ 0 ]S Направление 0 градусов в схеме укладки соответствует направлению вектора действующей на образец силы. В соответствии с толщиной элементарного слоя, равной 0,01 in, толщина образца равняется 0,15 in.

Критерий разрушения В отличие от оригинального примера, в предлагаемой методике в качестве критерия разрушения для классификации оценки повреждения в ПКМ выбран интерактивный квадратичный критерий разрушения Hashin [2].

Критерий разрушения позволяет определить четыре формы разрушения в случае однонаправленного ПКМ:

–  –  –

1, 2, 12 - нормальные и касательная действующие напряжения;

S 1T, S 1C - предельно допустимые напряжения для волокна;

S 2T, S 2C - предельно допустимые напряжения для связующего;

S 12, S 23 - предельно допустимые сдвиговые напряжения в продольной и трансверсальной плоскостях.

Модель деградации Для оценки остаточной прочности образца после момента возникновения повреждения в предлагаемой методике применяется мгновенная модель деградации свойств материала, сформулированная Camanho и Matthews [3].

Согласно данной модели деградации, в случае возникновения разрушения происходит мгновенная корректировка соответствующих модулей упругости материала.

Связь между формами разрушения и изменяемыми модулями упругости, в соответствии с критерием разрушения Hashin, представлена ниже:

–  –  –

В качестве метода моделирования повреждения композита в рамках предлагаемой методики применяется подход прямой деградации свойств материала (MPDM метод). Суть метода заключается в замене материала для поврежденного слоя на эквивалентный однородный слой из материал со сниженными жесткостными характеристиками согласно принятой модели деградации. Коэффициент редуцирования свойств принят равным 0,01 в соответствии с оригинальным примером.

Методика анализа

Методика конечно-элементного анализа прогрессирующего разрушения композитного материала построена на использовании шаговых методов. Взятый за основу метод последовательных нагружений В.З. Власова используется для сведения физически нелинейной задачи прочности к решению последовательности линейных задач. Результаты применения метода Власова в рамках конечно-элементного комплекса MSC Patran/Nastran приведены в работе [4]. Алгоритм разработанной автоматизированной методики конечноэлементного анализа на основе метода Власова, применительно к расчету конструкций из изотропного материала, описан в работе [5].

Усовершенствованный код управляющей процессом расчета программы «МИЛАНА» (Много Итерационная Линейная Аппроксимация Нелинейного Анализа) позволяет проводить анализ прогрессирующего разрушения конструкций из ПКМ в линейно-упругой постановке. Для решения поставленной задачи используется программа MSC Nastran 2007r1 с линейным статическим решателем SOL 101.

Принципиальная схема работы программы «МИЛАНА» представлена на рисунке 2.

–  –  –

Код управляющей процессом анализа программы, а так же коды всех сопутствующих блоков по выявлению, классификации и моделированию последствия разрушения в ПКМ, написаны в рамках рабочей среды программного продукта Scilab 5.4.1. Процесс анализа является полностью автоматическим с момента обработки входных данных до момента получения окончательного решения задачи. Дополнительно к возможностям графической обработки результатов линейных расчетов в MSC Patran (напряжения, перемещения и пр.), в методике заложена возможность визуализации результатов процесса зарождения и развития повреждений, а так же их влияния на объект исследования.

КЭ моделирование

Предварительным этапом анализа прогрессирующего разрушения композита, по предлагаемой методике, является создание конечно-элементной модели объекта исследования. В качестве среды для КЭ моделирования использовался пре-постпроцессор MSC Patran 2007r1b. Процесс создание исходной модели для анализа прогрессирующего разрушения полностью схож с постановкой задачи для линейного статического анализа.

Исходная для анализа прогрессирующего разрушения КЭ модель образца с отверстием состоит из 1046 элементов типа CQUAD4, 1140 узлов и 2 элементов жесткой связи RBE2. Для моделировании композитного материала использовался тип материала MAT8. КЭ модель образца с отверстием показана на рисунке 3.

Рисунок 3 — КЭ модель образца с отверстием

Расчетный случай: на левом короткой стороне пластины смоделирована заделка по всем поступательным степеням свободы (Tx=0, Ty=0, Tz=0); на правой короткой стороне пластины действует продольная растягивающая сила единичной величины, а также введен запрет по перемещениям в плоскости, ортогональной направлению действующей силы (Ty=0, Tz=0).

Результаты анализа

Результаты анализа прогрессирующего разрушения композитного образца с круглым отверстием, нагруженного продольным растягивающим усилием, полученные по предлагаемой методике, сравнивались с результатами решения аналогичной задачи с помощью программы MD Nastran 2011.1, доступными в сети Интернет [6]. На рисунке 4 приведено сравнение графиков зависимостей «сила-перемещение», полученных в оригинальном решении в случае использования модели деградации «Immediate» (линия, обозначенная как «MD Nastran») и с помощью предлагаемой методики (линия, обозначенная как «МИЛАНА»).

Рисунок 4 — графики зависимости «сила-перемещения»

На рисунке 5 в виде гистограмм приведено сравнение величин усилий и соответствующих им перемещений, при которых отмечается момент начала разрушения (уровень 1), а так же уровень максимальной несущей способности образца (уровень 2).

Рисунок 5 — сравнение результатов расчета по разным подходам Стоит отметить, что в качестве критерия разрушения в оригинальном примере использовался критерий Puck.

Сводная таблица сравнения абсолютного и относительного показателей расчета приведена ниже:

–  –  –

Все представленные далее в докладе результаты расчета были получены по авторской методике и в силу отсутствия аналогичных результатов полученных из оригинального решения, результаты приводятся без сравнения.

Для удобства анализа механизма зарождения и развития разрушения в исследуемом образце, на рисунке 6 совместно приведены графики зависимостей растягивающего усилия (линия 1, шкала слева) и степени деградации жесткостных свойств образца (линия 2, шкала справа) от перемещения, с нанесенными характерными точками. Под степенью деградации свойств принимается отношение глобальной матрицы жесткости образца в начальном состоянии, к глобальной матрицы жесткости образца на текущем шаге нагружения с учетом накопленных повреждений.

На участке кривой «А-Б» происходит линейный процесс нагружения образца до момента начала разрушения (точка Б). Результаты анализа образца на данном участке нагружения, в графическом виде представлены в приложении А. Горизонталь «А`-Б`» показывает отсутствие изменения в жесткостных характеристиках образца.

Рисунок 6 — графики изменения жесткости образца с отверстием

При дальнейшем нагружении образца, на участке «Б-В», происходит момент зарождения и начальной стадии развития локальных разрушений в слоях, армированных под углами 0 и 90 градусов. В графическом виде результаты анализа представлены в приложении Б. В силу низкого процентного содержания в образце слоев, армированных под углами 0 и 90 градусов, процесс их локального разрушения практически не оказывает влияния на несущую способность образца в целом (кривая «Б`-В`»).

В точке «В» нагрузка на образец достигает такого уровня, при котором начинают разрушаться слои, армированные под углами +45 и -45 градусов.

Процесс развития разрушения в образце на участке нагружения «В-Г» в графическом виде приведен в приложении В. Развитие разрушения во всех слоях образца по прежнему не сильно сказывается на его несущей способности (кривая «В`-Г`»).

На участке нагружения «Г-Д» повреждения в слоях, армированных под углами 0 и 90 градусов, охватывают всю ширину образца (результаты приведены в приложении Г), что характеризует их полное разрушение. В точке Д образец достигает максимальной величины своей несущей способности, однако уровень накопленных разрушений в рамках целого образца по прежнему не является катастрофическим в силу низкого процентного содержания разрушенных слоев (кривая «Г`-Д`»).

Участок нагружения «Д-Е» сопровождается процессом догружения оставшихся слоев, армированных под углом +45 и -45 градусов. В приложении Д показаны эпюры распространения повреждений для всех слоев образца. Точка Е` показывает 40% потерю жесткости образца в направлении действия силы.

В точке Е напряжения в слоях +-45 градусов достигают предельного уровня, за которыми следует лавинообразный процесс полного разрушения образца (кривая «Е`-Ж`»). В приложении Е приведены эпюры распределения повреждений в слоях композита в момент окончательного разрушения образца.

Интерпретацию эпюр распределения разрушения в слоях ПКМ образца, на рисунках 10-25, стоит проводить в соответствии с палитрой на рисунке 7.

–  –  –

Рисунок 18 — накопленные повреждения в слое до точки Е Рисунок 19 — накопленные повреждения в слое до точки Е Рисунок 20 — накопленные повреждения в слое до точки Е

–  –  –

Рисунок 22 — процесс развития повреждения в слое на участке «Е-Ж»

Рисунок 23 — процесс развития повреждения в слое на участке «Е-Ж»

Рисунок 24 — процесс развития повреждения в слое на участке «Е-Ж»

Рисунок 25 — процесс развития повреждения в слое на участке «Е-Ж»

Рисунок 26 — эпюра распределения повреждений в образце в точке Ж ЛИТЕРАТУРА

1. Composites Technology Day with MSC Nastran, Exercise 3: Open-Hole-Tension Test Coupon, 2012, 22 p.

2. Carlos G. Davila. Failure Criteria for FRP Laminates in Plane Stress, NASA/TMp.

3. Liu Guangyan. Damage Progression in Open-Hole Tension Composite Laminates by the Element-Failure Method, Doctorate thesis, 2007, 169 p.

4. Косарев В.А. Отчет по результатам исследования возможности проведения расчетов для материалов с нелинейными свойствами в рамках линейного решателя MSC.Nastran SOL 101, техническая справка ОАО «НИАТ», 2011, 39 стр.

5. Косарев В.А. Методика решения физически нелинейных задач прочности конструкции с концентраторами напряжений, журнал «Авиационная промышленность», 2014, стр 26-31.

Похожие работы:

«О З Р О М Т В Ы Д К М Н О П В П А Н ЛПО ВОПРОСАМР. ЬМ Й0 3. ОБЗОР НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ О О Б О Е И З А Е А 2 1Г Б ОН Р А И Н Х О У Е Т В О О РОС М А Г О Л Ж Н ЯА П Л ОБЗОР НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ПО ВОПРОСАМ НАЛОГООБЛОЖЕНИЯ ЗА АПРЕЛЬ-МАЙ 2013 Г. Л. Анисимова В р...»

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА И. А. Василенко Современная российская политика Учебник для магистров Допущено Учебно-методическим отделом высшего образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным направлениям и специальностям Книг...»

«КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Содержащиеся в пособии контрольно-измерительные материалы (КИМы), аналогичные материалам ЕГЭ, составлены в соответствии с программой общеобразовательных учреждений по литературе и учитывают возрастные особенности учащихся. В конце издания приведены ответы ко всем тестам, предложены самостоятельные работы...»

«МИНИМАЛЬНОЕ ДИЗАРТРИЧЕСКОЕ РАССТРОЙСТВО КАК СТОЙКОЕ НАРУШЕНИЕ ЗВУКОПРОИЗНОШЕНИЯ В ДОШКОЛЬНОМ ВОЗРАСТЕ Артеменко О.Н., Балыкова А.В. ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», Институт образования и соци...»

«2005 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Сер. 5. Вып. 1 СТАТИСТИКА И УЧЕТ О.Д. Каверина ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КАЛЬКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ «АВ-КОСТИНГ» Вводные замечания. В последние десятилетия в зарубежной теории и практике активно развивается новое направление в управленческом учете,...»

«Пояснительная записка Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта начального общего образования, программы «Окружающий мир» (авторы: Вахрушев А.А. Раутиан А.С., Данилов Д.Д., Ты...»

«Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Выпуск 3, май – июнь 2014 Опубликовать статью в журнале http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru УД...»

«Seria “tiine reale i ale naturii” Biologie ISSN 1814-3237 НЕЙРОСОНОГРАФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ ЖЕЛУДОЧКОВОЙ СИСТЕМЫ МОЗГА ДОНОШЕННЫХ НОВОРОЖДЕННЫХ ПРИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ЖЕЛ...»








 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.