Composite Materials Module

Modellierung von Verbundwerkstoffstrukturen für ein verbessertes Produktdesign

Ein Verbundwerkstoff ist ein heterogenes Material, das aus zwei oder mehr integrierten Bestandteilen besteht, um die strukturelle Leistung zu verbessern. Das Composite Materials Module ist ein Add-On zum Structural Mechanics Module, das Ihnen Modellierungswerkzeuge und Funktionalitäten bietet, die auf die Analyse von Schichtverbundstrukturen zugeschnitten sind. Schichtverbundwerkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe, Laminate und Sandwichpaneele finden breite Anwendung bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten, Rotorblättern für Windkraftanlagen, Fahrzeugteilen, Gebäuden, Bootsrümpfen, Fahrrädern und Sicherheitsausrüstung.

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

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Drei Windturbinenblätter, die die Spannung auf der Oberfläche (links), die Spannung auf den Holmen (Mitte) und das lokale Koordinatensystem der Oberfläche (rechts) zeigen.

Laminattheorien zur Definition und Visualisierung von Laminaten

Die Analyse von laminierten Verbundschichten basiert in der Regel auf der dreidimensionalen Elastizitätstheorie oder der Theorie der äquivalenten Einzelschicht (Equivalent Single Layer, ESL).

Das Composite Materials Module nutzt eine spezielle Technologie für geschichtete Materialien und bietet zwei Ansätze, mit denen Sie Schichten aus Verbundwerkstoffen genau modellieren können: Die schichtweise Theorie und die äquivalente Einschichttheorie. Der schichtweise Ansatz eignet sich für dicke bis mäßig dünne Verbundwerkstoffschichten mit einer begrenzten Anzahl von Lagen. Die äquivalente Einzelschichttheorie eignet sich für dünne bis mäßig dicke Schichten und kann viele Lagen ohne nennenswerte Leistungseinbußen berücksichtigen. Mit diesen Theorien können Sie den Aufbau und andere Parameter eines Laminats optimieren, indem Sie Multiskalen-, Multiphysik- und verschiedene Versagensanalysen durchführen.

Was Sie mit dem Composite Materials Module modellieren können

Durchführung verschiedener Strukturanalysen für Verbundlaminate mit der Software COMSOL®.

Eine Nahansicht eines Einheitszellenmodells mit Fasern und Harz.

Mikromechanisch/Makromechanisch

Berechnung der homogenisierten Materialeigenschaften und des makroskopischen Verhaltens von Verbundlaminaten.

Eine Nahansicht eines laminierten Schalenmodells, das die Hoffman-Sicherheitsfaktoren zeigt.

Schichtversagen

Bewertung der strukturellen Integrität einer laminierten Verbundschale.

Eine Nahansicht des Knickverhaltens von Verbundstoffzylindern.

Lineares Knicken

Berechnung der kritischen Lastfaktoren unter Druckbelastung und Festpunktbedingungen.

Eine Nahansicht verschiedener Kraftwerte von laminierten Platten.

Delaminierung

Modellierung der Delaminationsentstehung und -ausbreitung in einer Verbundplatte.

Spannung und Auslenkung eines Metallwandrahmenmodells.

Nichtlineare Materialien1

Einbindung nichtlinearer Materialmodelle in einen Schichtverbund.

Eine Nahansicht eines Felgenmodells aus Verbundwerkstoff, die die Spannung zeigt.

Mehrkörperdynamik2

Kopplung von Verbundstofflaminaten mit anderen Strukturelementen in einem Mehrkörpersystem

Eine Nahansicht eines Laminatverbundmodells, das den ursprünglichen und den optimierten Aufbau zeigt.

Verbundoptimierung3

Optimierung von Verbundstoffaufbauten, Schichtdicken, Faserausrichtungen und Materialeigenschaften.

  1. Erfordert zusätzlich das Nonlinear Structural Materials Module
  2. Erfordert zusätzlich das Multibody Dynamics Module
  3. Erfordert zusätzlich das Optimization Module

Spezialisierte Werkzeuge für die Definition und Visualisierung von Verbundlaminaten

Das Composite Materials Module bietet eine Reihe von spezialisierten Werkzeugen zur Visualisierung von Verbundlaminaten, die aus mehreren Schichten aufgebaut sind.

Eine Nahansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Layered Shell und einem Verbundplattenmodell im Grafikfenster.

Schichtweiser Ansatz/Layered Shell Interface

Das Layered Shell-Interface, das in 3D verfügbar ist, bietet einen auf der schichtweisen Theorie basierenden Ansatz für eine detaillierte Analyse von Verbundlaminaten. Die Materialien in den einzelnen Schichten können nichtlinear sein. Es unterstützt auch unterschiedliche Ordnungen der Ansatzfunktionen für das Verschiebungsfeld in der Bezugsfläche und in der Richtung der Durchgangsdicke. Die Ergebnisse umfassen vollständige 3D-Spannungs- und Dehnungsverteilungen, so dass man z. B. interlaminare Spannungen berechnen und Spannungsvariationen innerhalb der einzelnen Schichten untersuchen kann.

Eine Nahansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Layered Linear Elastic Material und zwei Grafikfenstern.

Mehrschichtiges Material

Der Knoten Layered Material kann zur Definition eines Aufbaus verwendet werden, bei dem jede Schicht ihre eigenen Materialdaten, Dicke und Hauptausrichtung hat. Auf diese Weise definierte Schichtmaterialien können mit Hilfe des Knotens Layered Material Stack kombiniert werden, um komplexere Schichtmaterialien zu erstellen, was besonders praktisch ist, wenn sich der Aufbau wiederholt oder wenn der Schichtabfall modelliert wird. Darüber hinaus können auch Materialeigenschaften für die Grenzflächen zwischen den Schichten definiert werden.

Eine Nahansicht des Bereichs Layer-Auswahl im Einstellungsfenster und der beiden Grafikfenster.

Mehrschichtige Materialverbindung

Beim Verbinden von zwei verschiedenen Laminaten in einer nebeneinander liegenden Konfiguration oder bei der Modellierung eines Schichtabfalls ist es möglich, den Knoten Layered Material Stack zusammen mit dem Knoten Continuity im Layered Shell-Interface zu verwenden. Der Verbindungsbereich der beiden Verbundlaminate kann durch verschiedene Optionen gesteuert werden. Die verbundenen Schichten beider Laminate können mit Hilfe des Layer Cross Section Preview Plots, der für den Knoten Continuity verfügbar ist, visualisiert werden.

Eine Nahansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Layered Material Slice und zusammengesetzten Zylindern im Grafikfenster.

Mehrschichtiges Material-Schnitt Plot

Der Layered Material Slice-Plot bietet mehr Freiheit bei der Erstellung von Schnitten in einem Verbundlaminat. Es ist nützlich, wenn man einen Schnitt nur durch eine oder einige ausgewählte Schichten oder einen Schnitt durch einige oder alle Schichten erstellt, aber nicht notwendigerweise in Richtung der Schichtdicke. Er kann auch verwendet werden, um eine bestimmte Schicht im Detail zu untersuchen und einen Schnitt an einer bestimmten Position innerhalb der Schicht zu erzeugen, die nicht auf der Mittelebene liegt.

Eine Nahansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Layered Linear Elastic Material und einem Windturbinenmodell im Grafikfenster.

Äquivalenter Einschichtansatz/Shell Interface

Das Shell-Interface wird durch ein Materialmodell, Layered Linear Elastic Material, ergänzt, das die homogenisierten Materialeigenschaften des gesamten Laminats berechnet und nur in der Mittelebene löst. Die Ergebnisse enthalten vollständige 3D-Spannungs- und Dehnungsverteilungen, so dass man z. B. Spannungsschwankungen innerhalb jeder Schicht untersuchen kann.

Eine Nahansicht der Einstellungen für den Knoten Layered Material und ein laminiertes Schalenmodell im Grafikfenster.

Vorschaudiagramm der Schichten

Um die Eingabedaten eines Verbundstoffaufbaus zu visualisieren, gibt es zwei Vorschaudiagramme: Layer Stack Preview und Layer Cross Section Preview. Die Layer Stack Preview zeigt die Anzahl der Schichten sowie die Hauptfaserorientierungen in jeder Schicht. Die Layer Cross Section Preview zeigt die Dicke jeder Schicht zusammen mit der Position der Referenzebene an.

Eine Nahansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Layered Material und einem Verbundlaminat im Grafikfenster.

Geschichteter Materialdatensatz

Der Layered Material Datensatz wird verwendet, um die Ergebnisse der Simulation für eine Geometrie mit endlicher Dicke anzuzeigen. Mit diesem Datensatz kann die Laminatdicke in Normalrichtung erhöht oder verringert werden, was für die Visualisierung dünner Laminate nützlich ist. Außerdem kann die Geometrie zur besseren Visualisierung als dünne Laminate in Dickenrichtung skaliert werden.

Eine Nahansicht des Model Builders mit hervorgehobenem Knoten Through Thickness und einem 1D-Diagramm im Grafikfenster.

Schichtdicke-Plot

Mit dem Diagrammtyp Through Thickness kann die Variation einer beliebigen Größe an einer bestimmten Position auf der Grenze gegenüber der Laminatdicke visualisiert werden. Man kann einen oder mehrere geometrische Punkte auf der Grenze auswählen oder optional Schnittpunktdatensätze erstellen. Es ist auch möglich, die Punktkoordinaten direkt anzugeben. Im Gegensatz zu anderen Diagrammen wird die Größe von Interesse auf der x-Achse aufgetragen, während die Dickenkoordinate auf der y-Achse aufgetragen wird.

Multiphysik-Kopplungen für erweiterte Analysen

Es gibt zwei grundlegend verschiedene Arten der Wechselwirkung zwischen der Mechanik im Laminat und anderen Prozessen. Bei physikalischen Prozessen, die innerhalb des Laminats stattfinden, können alle physikalischen Phänomene gleichzeitig gelöst werden, einschließlich der Kopplungen zwischen ihnen. Bei anderen physikalischen Prozessen dient das Laminat als Grenzfläche für einen 3D-Bereich, in dem etwas Entscheidendes passiert. Die folgenden Multiphysik-Kopplungen sind mit integrierten Kopplungen verfügbar:

  • Wärmetransfer1
  • Elektrische Ströme2
  • Piezoelektrizität2
  • Poroelastizität3
  • Akustik-Verbundwerkstoff-Wechselwirkung4
  • Fluid-Verbundwerkstoff-Wechselwirkung5

  1. Benötigt das Heat Transfer Module
  2. Benötigt das AC/DC Module or MEMS Module
  3. Benötigt das Porous Media Module
  4. Benötigt das Acoustics Module
  5. Bei turbulenter Strömung, benötigt das CFD Module
Nahaufnahme eines sechsschichtigen Verbundwerkstoffs, der die Spannung zeigt.

Wärmetransport und elektrische Ströme

Modellierung der Joule'schen Erwärmung und der thermischen Ausdehnung in einem Verbundlaminat mit Mehrschichttechnologie.

Nahaufnahme eines geschichteten Schalenmodells, das die piezoelektrische und die Metallschicht zeigt.

Piezoelektrizität

Einbetten eines piezoelektrischen Materials in ein Verbundlaminat, um dünne piezoelektrische Geräte und Sensoren zu modellieren.

Ein Modell eines Kompressionsantriebes, das den Druck anzeigt.

Akustik-Verbundwerkstoff-Wechselwirkung

Modellierung der Vibroakustik durch Kopplung des Verbundstofflaminats mit einem umgebenden akustischen Bereich.

Eine Nahaufnahme eines rechteckigen Modells, das die Größe der Geschwindigkeit zeigt.

Fluid-Verbundstoff-Wechselwirkung

Modellierung von Verbundwerkstofflaminaten in Wechselwirkung mit Flüssigkeitsbereichen durch Kombination von geschichteten linear elastischen Materialien.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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