Analysieren von Schichtstrukturen mit dem Composite Materials Module

Modellierung von Verbundstrukturen für ein verbessertes Produktdesign

Ein Verbundwerkstoff ist ein heterogenes Material, das aus zwei oder mehreren integrierten Komponenten besteht, um die strukturelle Leistung zu verbessern. Dank der verbesserten Festigkeit und des geringeren Gewichts im Vergleich zu herkömmlichen Materialien bieten Verbundwerkstoffe viele Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedensten Bereichen. In der Industrie werden derzeit Entwicklungsanstrengungen unternommen, um Funktionen wie Sensorik, Bewegung, Berechnung und Kommunikation in sogenannte intelligente Verbundwerkstoffe einzubetten. Um hochgenaue und zuverlässige Verbundstrukturen zu entwickeln ist ein tiefes Verständnis des Verhaltens solcher Materialien notwendig.

Software zur Analyse geschichteter Verbundwerkstoffe

Das Composite Materials Module ist ein Add-On zum Structural Mechanics Module, das Ihnen Modellierungswerkzeuge und Funktionen bietet, die auf die Analyse von geschichteten Verbundstrukturen zugeschnitten sind. Einige der häufigsten Beispiele für geschichtete Verbundwerkstoffe sind faserverstärkter Kunststoff, laminierte Platten und Sandwichplatten. Diese geschichteten Verbundwerkstoffe werden häufig bei der Herstellung von Flugzeug-, Raumfahrt- oder Automobilkomponenten, Windturbinenblättern, Gebäuden, Bootsrümpfen, Fahrrädern und Sicherheitsausrüstungen verwendet. Das Composite Materials Module verwendet eine spezielle Schichtmaterialtechnologie und bietet zwei Ansätze, mit denen Sie Verbundkonstruktionen genau modellieren können: Die Schichtweise Theorie und die äquivalente Einschichttheorie.

Wenn Sie das Composite Materials Module mit anderen Modulen aus der COMSOL® Produktpalette kombinieren, können Sie Ihre Modelle um Wärmetransport-, Elektromagnetik- und Strömungseffekte erweitern - alles innerhalb derselben Simulationsumgebung.

Was Sie mit dem Composite Materials Module modellieren können

Das Structural Mechanics Module bietet vordefinierte physikalische Interfaces mit speziellen Einstellungen, um Analysen einfacher einzurichten und durchzuführen. Das Composite Materials Module enthält zusätzliche Interfaces und Materialmodelle zur Simulation von Verbundlaminaten, je nachdem, welche Schichtentheorie Sie bevorzugen und welche Art von Analyse Sie durchführen. Neben den regelmäßigen Strukturanalysen (wie stationäre, eigenfrequente, transiente, lineare Knickungs- und andere Analysen) können Sie auch Schichtversagen- und Multiskalenmodellierungen durchführen. Da es sich um technische Materialien handelt, sind die Verbundlaminate anfällig für verschiedene Arten von Versagen. Daher ist es unerlässlich, unterschiedliche Arten von Schadensanalysen für Verbundlaminate durchzuführen.

Beachten Sie, dass Sie mit dem Add-On Optimization Module auch die geometrischen Abmessungen, die Verbundanordnung, die Schichtdicken, die Faserausrichtungen und die Materialeigenschaften Ihrer Konstruktionen optimieren können.

Mehr Details darüber, was Sie mit dem Composite Materials Module modellieren können, finden Sie unten.

Das in 3D verfügbare Interface Layered Shell ermöglicht einen auf der schichtweisen Theorie basierenden Ansatz für eine detaillierte Analyse von Verbundlaminaten. Randbedingungen können sowohl auf einzelnen Schichten als auch auf einzelnen Grenzflächen zwischen den Schichten platziert werden. Die Materialien in den einzelnen Schichten können dabei nichtlinear sein. Es werden auch unterschiedliche Ordnungen für das Verschiebungsfeld in der Referenzfläche und in der Schichtdickenrichtung unterstützt. Die Ergebnisse beinhalten vollständige 3D-Spannungs- und Dehnungsverteilungen, so dass Sie beispielsweise interlaminare Spannungen berechnen und Spannungsschwankungen innerhalb jeder Lamelle untersuchen können.

Die Formulierung dieses physikalischen Interfaces ist geeignet für dicke bis mitteldünne Verbundschalen mit einer begrenzten Anzahl von Schichten.

Modell eines einfach gelagerten Verbundlaminats. Spannungen in einem einfach gelagerten dreischichtigen Verbundlaminat, das gebogen wird.

Mit dem Composite Materials Module wird das Interface Shell um das neue Layered Linear Elastic Material Materialmodell erweitert. Layered Linear Elastic Material. Es basiert auf der Scherdeformationstheorie erster Ordnung, die eine Klasse der äquivalenten Einschichttheorie ist, bei der alle Schichten zu einem äquivalenten Material zusammengefasst werden. Die Ergebnisse beinhalten vollständige 3D-Spannungs- und Dehnungsverteilungen, so dass Sie beispielsweise Spannungsschwankungen innerhalb jeder Lamelle untersuchen können.

Dieses Materialmodell, das sich für dünne bis mitteldicke Schichten eignet, kann ohne wesentliche Leistungseinbußen eine große Anzahl von Schichten berücksichtigen.

Modell einer Verbundwerkstoff-Turbinenschaufel für Windkraftanlagen. Spannungen in einem Verbundwerkstoff-Rotorblatt einer Windkraftanlage aus dickem PVC-Schaum als Kernmaterial, das von mehreren Schichten Glasfaserverbundwerkstoff auf jeder Seite umgeben ist, kombiniert mit einer äußeren CFK-Ummantelung.

Die Analyse eines Verbundlaminats ist vergleichsweise schwierig, da hier unterschiedliche geometrische Maßstäbe eine Rolle spielen. Die auf zwei verschiedenen Skalen durchgeführten Analysen werden als Mikro- und Makromechanikanalyse bezeichnet.

Im Allgemeinen besteht eine Lamelle aus Faser- und Matrixmaterialien. Die homogenisierten Eigenschaften einer Lamelle hängen von den Eigenschaften der Bestandteile sowie dem Volumenanteil ab, in dem die Bestandteile gemischt werden. Mikromechanische Analysen befassen sich mit der Modellierung einzelner Lamellen oder ihrer repräsentativen Einheitszelle mit Faser- und Matrixmaterialien. Ziel dieser Analysen ist es, die homogenisierten Materialeigenschaften einer Lamelle zu berechnen.

Mikromechanisches Modell eines Faserverbundes. Repräsentative Einheitszelle für einen Faserverbund mit einem 20%igen Faservolumenanteil. Das Modell wird zur Ermittlung eines gleichwertigen gemittelten anisotropen Materials verwendet.

Sie können auch dünne, geschichtete Strukturen mit Hilfe des Composite Materials Module analysieren. Dieses Add-On-Modul verwendet eine spezielle Schichtmaterialtechnologie mit zwei Varianten, Schichttheorie und äquivalente Einschichttheorie, die jeweils eigene Vorteile bieten. Mit diesem Modul können geschichtete Verbundwerkstoffe wie faserverstärkter Kunststoff, laminierte Platten und Sandwichpaneele in Flugzeug-, Raumfahrzeug- oder Automobilkomponenten, Windturbinenblättern, Bootsrümpfen und mehr modelliert werden.

Fehlerprognose in einem Verbundlaminat. Sicherheitsfaktoren nach dem Hoffman-Kriterium für ein uniaxial belastetes Laminat. Die Hauptausrichtungen der Lamelle sind in der Einblendung dargestellt.

Das Knicken eines Verbundlaminats ist ein häufiges Phänomen und damit ein wichtiges Konstruktionskriterium. Es ist entscheidend, ein Verbundlaminat zu konstruieren, das Druck- oder Torsionsknicklasten standhalten kann. In der COMSOL Multiphysics®-Software kann jede der Laminattheorien zur Berechnung des kritischen Knickbelastungsfaktors eines Verbundlaminats verwendet werden.

Knickmodi in einem Verbundlaminat mit unterschiedlichen Faserorientierungen. Knick-Mode für das gleiche Verbundlaminat mit unterschiedlicher Wahl der Faserausrichtung in der Lamelle.

Ein Verbundlaminat besteht aus mehreren Schichten, die miteinander verklebt oder laminiert sind. Unter verschiedenen Lastbedingungen (insbesondere Stoßbelastung) kann die Verbindung zwischen den beiden Schichten in einem bestimmten Bereich aufbrechen. Die Modellierung der delaminierten Region wird entscheidend, um das Verhalten eines beschädigten Verbundlaminats genau vorherzusagen.

In COMSOL Multiphysics® kann dies mit Hilfe des auf der Schichttheorie basierenden Interfaces Layered Shell erreicht werden. Dort kann der Knoten Thin Elastic Layer, Interface zur Modellierung des delaminierten Bereichs zwischen verschiedenen Schichten eines Verbundlaminats verwendet werden.

Impedanz in einem Verbundlaminat mit und ohne Delamination. Impedanz eines Verbundlaminats bei verschiedenen Frequenzen. Die Ergebnisse werden für ein Laminat mit und ohne abgelöste Bereiche verglichen (siehe Einblendung).

Das Layered Shell Interface kann nichtlineare Materialmodelle in einen Schichtverbund einbinden, wenn es in Kombination mit dem Nonlinear Materials Module verwendet wird. Es ist auch möglich, verschiedene nichtlineare Materialmodelle in unterschiedlichen Schichten eines Verbundlaminats hinzuzufügen.

Die Verbundlaminate, die entweder mit dem Interface Layered Shell oder dem Knoten Layered Linear Elastic Material des Interface Shell modelliert sind, können in Kombination mit dem Multibody Dynamics Module mit anderen Strukturelementen in einem Mehrkörpersystem gekoppelt werden.

Multiphysik-Kopplungen für erweiterte Verbundwerkstoffanalysen

In vielen Situationen wird ein Verbundlaminat basierend auf den strukturellen Anforderungen entworfen, aber es gibt einige Fälle, in denen andere physikalische Phänomene berücksichtigt werden müssen. Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten der Interaktion zwischen der Mechanik im Laminat und anderen Prozessen: diejenigen, die innerhalb der Laminatschichten auftreten, und solche, die mit dem Laminat als Grenze auftreten.

Thermische und elektromagnetische Wechselwirkung

Einige physikalische Prozesse laufen innerhalb des Laminats ab, bei denen die thermischen und elektrischen Effekte signifikant sind, und es ist wichtig, beim Design des Laminats die kombinierte Wirkung dieser Effekte zu berücksichtigen. Die Schichtmaterialtechnologie ermöglicht es Ihnen, verschiedene physikalische Interfaces im gleichen Schichtmaterial zu verwenden, und Sie können alle physikalischen Phänomene simultan lösen, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen ihnen. Aus konstruktiver Sicht können beide Laminattheorien mit der thermischen und elektrischen Modellierung von Verbundlaminaten gekoppelt werden. Ein typisches Beispiel ist die Joulesche Erwärmung und thermische Ausdehnung eines Verbundlaminats.

Um auf diese multiphysikalischen Kopplungen zugreifen zu können, werden das Heat Transfer Module und das AC/DC Module für die thermischen bzw. elektromagnetischen Wechselwirkungen benötigt.

Strömungs- und akustische Wechselwirkungen

Bei anderen physikalischen Prozessen fungiert das Laminat als Grenze für eine 3D-Gebiet, in dem etwas Wichtiges passiert. Das äquivalente einschichttheoretische Layered Linear Elastic Material im Shell-Interface ermöglicht es Ihnen, das Verbundlaminat mit einem umgebenden Fluid über den Multiphysik-Kopplungsknoten Fluid-Structure Interaction zu koppeln. Diese Funktionalität ist sowohl für laminare Strömung als auch für turbulente Strömung in Kombination mit dem CFD Module verfügbar.

Um ein vibroakustisches Problem zu modellieren, können Sie das Verbundlaminat mit einem umgebenden akustischen Gebiet über den Multiphysik-Kopplungsknoten Acoustics-Structure Boundary verbinden, der in Kombination mit dem Acoustics Module verfügbar ist.

Wärmeausdehnung in einem Verbundlaminat. Effektive Spannungsverteilung durch Erwärmung in einem sechsschichtigen Verbund.

Spezialwerkzeuge zur Definition und Visualisierung von Laminaten

Verbundlaminate bestehen aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien, Faserorientierungen, Dicke usw. Um das Schichtgefüge zu visualisieren und die Informationen auf komfortable Weise bereitzustellen, bietet das Composite Materials Module eine Reihe von spezialisierten Werkzeugen. Da Verbundlaminate anisotrop und typischerweise heterogen in der Schichtungsrichtung sind, ist es in der Regel nicht ausreichend, die Ergebnisse nur auf der Referenzoberfläche auszuwerten. Sie müssen die Ergebnisse sowohl in jeder Schicht als auch in der Schichtdurchlaufrichtung auswerten.

Geschichtetes Material Feature

Der Knoten Layered Material kann verwendet werden, um ein Schichtgefüge zu definieren, bei dem jede Schicht ihre eigenen Materialdaten, Dicke und Hauptorientierung hat. Die so definierten Schichtmaterialien können über den Knoten Layered Material Stack zu komplexeren Schichtmaterialien kombiniert werden, was besonders praktisch ist, wenn sich die Schicht wiederholt oder wenn der Lagenauslauf modelliert wird. Sie können auch Materialeigenschaften für die Trennflächen zwischen den Schichten definieren.

Schichten-Vorschau-Plots

Um die Eingangsdaten eines Composite Layups zu visualisieren, gibt es die beiden Vorschaubilder Layer Stack Preview und Layer Cross Section Preview. Das Diagramm Layer Stack Preview zeigt die Anzahl der Schichten sowie die Hauptfaserausrichtungen in jeder Schicht. Das Diagramm Layer Cross Section Preview zeigt die Dicke jeder Schicht zusammen mit der Lage der Referenzebene.

Schichtmaterialverbindung

Wenn Sie zwei verschiedene Laminate in einer Side-by-Side-Konfiguration miteinander verbinden oder eine Lagenauslaufsituation modellieren, ist es möglich, den Knoten Layered Material Stack zusammen mit dem Knoten Continuity im Interface Layered Shell zu verwenden. Der Verbindungsbereich der beiden Laminate kann durch verschiedene Optionen gesteuert werden. Die verbundenen Schichten beider Laminate können mit dem Plot Layer Cross Section Preview visualisiert werden, der auf dem Knoten Continuity verfügbar ist.

Schichtmaterial-Datensatz

Obwohl das Verbundlaminat als Flächengeometrie (2D) modelliert ist, können Sie die Ergebnisse an einer Geometrie mit endlicher Dicke mit dem Datensatz Layered Material visualisieren. Es ermöglicht auch die Skalierung der Geometrie in Dickenrichtung für eine bessere Visualisierung bei dünnen Laminaten. Mit diesem Datensatz können Sie die Ergebnisse entweder als Oberfläche oder als Schnitte in der 3D-Geometrie darstellen.

Schichtmaterial Slice Plot

Die Darstellung Layered Material Slice bietet mehr Freiheit bei der Erstellung von Schnittbildern in einem Verbundlaminat. Es ist in den folgenden Fällen nützlich:

  • Erstellen eines Schnittes nur durch eine oder wenige ausgewählte Lagen
  • Erstellen eines Schnittes durch einige oder alle Schichten, aber nicht unbedingt in Richtung der Schichtungsdicke
  • Eine bestimmte Ebene im Detail untersuchen und einen Schnitt an einer bestimmten Position innerhalb einer von der Mittelebene abweichenden Schicht erstellen

Plot durch die Schichtdicke

Das Through Thickness Diagramm ermöglicht es Ihnen, die Variation einer beliebigen Größe an einer bestimmten Position auf dem Rand über die Laminatdicke aufgetragen zu visualisieren. Sie können einen oder mehrere geometrische Punkte auf dem Rand auswählen oder optional Schnittpunkt-Datensätze erstellen. Es ist auch möglich, die Punktkoordinaten direkt anzugeben. Im Gegensatz zu anderen Diagrammen wird die Ergebnisgröße auf der x-Achse und die Dickenkoordinate auf der y-Achse dargestellt.

Layup eines Schichtmaterials und dessen Layer Stack Vorschau-Plot. Das Layup eines Schichtmaterials, zusammen mit einem Layer Stack Vorschaubild, das die Hauptfaserorientierungen jeder Schicht zeigt.

Querschnitt eines Schichtmaterials mit der Position der Bezugsebene. Der Querschnitt eines Laminats, das aus fünf Sublaminaten besteht. Dargestellt werden die Dicke jeder Schicht und die Position der Bezugsebene.
Verbindung zwischen zwei Schichtmaterialien. Die Verbindung zwischen zwei geschichteten Materialien, die nebeneinander liegen. Dargestellt ist der Lagenabfall.


Verschiedene Arten der Visualisierung eines dicken dreilagigen Laminats unter Verwendung eines mehrschichtigen Materialdatensatzes. Verschiedene Arten der Visualisierung eines dicken dreilagigen Laminats unter Verwendung des Datensatzes für geschichtete Materialien.

Spannungen in allen Schichten eines Verbundlaminats. Spannungen in allen Schichten einer Tube, die als fünfschichtiges Verbundlaminat aufgebaut ist.
Über die Schichtdicke aufgetragene Querschubspannungen.

Transversale Scherspannungen in einem dreilagigen Laminat, wobei das Interface Layered Shell mit der exakten 3D-Lösung verglichen wird.

Nächster Schritt:
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