Композит представляет собой гетерогенный материал, который состоит по меньшей мере из двух интегрированных компонентов для улучшения структурных характеристик. Мультифизическое моделирование позволяет комбинировать механический, термический и электромагнитный анализ композиционных материалов. В зависимости от применения также возможны взаимодействия композита, например, с токами или акустикой. Решающим фактором эффективности и выполнимости такого анализа является численная реализация, которая должна быть адаптирована к разным масштабам размеров и соотношениям длины композиционных материалов.
Подсказка для семинара
Семинар по легким строительным материалам рассказывает о методах, принципах проектирования и методах строительства легких конструкций. Участники получают обзор различных легких материалов, изучают критерии выбора материалов и узнают о преимуществах, недостатках и рисках различных материалов.
Макроскопические свойства микроскопических элементарных клеток
Вследствие характерной структуры ламинатов из волокнистых и матричных материалов гомогенизированные макроскопические свойства зависят от микроскопических свойств и соответствующих объемных долей. Микромеханический анализ используется для моделирования отдельных слоев или репрезентативных элементарных ячеек, изготовленных из волокна и матрицы, с целью определения макроскопических свойств и использования их для фактического моделирования.
Два подхода к моделированию слоистых композитов
Многофизическое моделирование целых компонентов, которые состоят из множества тонких слоев, является очень эффективным, только если структуры слоев не должны быть явно разрешены и объединены в сеть; потому что это привело бы к чрезвычайно тонким и вычислительно сложным сетевым структурам. На практике требуются более ресурсоэффективные подходы:
- Эквивалентный подход один слой является одним из таких подходов. Он основан на теории деформации сдвига первого порядка, классе эквивалентной однослойной теории, в которой все слои объединены в эквивалентный материал. Результаты включают в себя полное трехмерное распределение напряжений и деформаций, так что, например, флуктуации напряжения в каждом слое могут быть исследованы.
- Подход Поэтажное является подход, основанный на многоуровневой теории для более точного анализа слоистых композитов. Граничные условия могут быть размещены на отдельных слоях, а также на отдельных интерфейсах между слоями. Материалы в отдельных слоях могут быть нелинейными. Результаты включают полное трехмерное распределение напряжений и деформаций, так что, например, межслойные напряжения могут быть рассчитаны и флуктуации напряжений в каждом слое могут быть изучены.
Пример использования: анализ лопасти ветротурбины
В 2019 году ветряные турбины были самым важным альтернативным источником энергии в Германии, поэтому разработка, анализ и производство ветряных турбин чрезвычайно важны для энергетической промышленности. В лопасти являются важнейшими компонентами ветровой турбины; При генерировании электрической энергии посредством вращения они должны выдерживать различные типы нагрузок, такие как ветер, гравитационные и центробежные нагрузки, и при этом быть максимально эффективными и тихими. Огромный размер лопасти ротора требует легких и прочных материалов, и композитные материалы хорошо подходят для этого.
Этот пример показывает, как проанализировать лопасть ротора, состоящую из смеси эпоксидной смолы углерода, винилового эфира стекла и пены ПВХ. Лопасть ротора выполнена в виде многослойной структуры, в которой сердечник из вспененного ПВХ встроен между эпоксидной смолой углерода и виниловым эфиром стекла.
- Сначала проводится анализ натяжения лопатки, в котором он подвергается воздействию комбинации гравитационных и центробежных нагрузок, которые соответствуют реальным условиям эксплуатации. Деформация острия лезвия, максимальные значения напряжений и распределение напряжений, обусловленное слоем, в определенной точке на лезвии рассчитываются для различных вариантов нагрузки.
- Предварительно напряжен собственная частота анализ Затем проводят для типичного диапазона рабочих скоростей. Таким образом, можно получить вариации собственных частот со скоростью, что является очень важной информацией для безопасной эксплуатации ветряных электростанций. Это изменение может быть четко представлено на диаграмме Кэмпбелла (рис. 2).
Подсказка для семинара
Систематический семинар по подбору материала учит взаимосвязи между производством материала, структурой материала и полученными свойствами материала. Цель состоит в том, чтобы представить целостное представление о процессе выбора материала, начиная с создания профиля потребности, предварительного отбора до точного выбора и оценки риска.
Мультифизика расширяет возможности приложения
Композитные детали часто проектируются в соответствии с чисто структурно-механическими требованиями, но в некоторых случаях необходимо учитывать другие физические явления. В таких случаях должны быть установлены и рассчитаны мультифизические связи между механикой и этими другими явлениями. Мы различаем два принципиально разных типа взаимодействия между механикой в композите и этими другими явлениями:
- Взаимодействия внутри составных слоев и
- те, которые встречаются на внешних составных краях.
Физические процессы, происходящие в ламинате, включают тепловые и электрические взаимодействия. Важно учитывать одновременный эффект этих эффектов при проектировании ламината. Обе упомянутые теории слоев могут быть связаны с тепловым и электрическим моделированием композиционных материалов.
Примеры связанных процессов
Типичным примером применения таких связанных процессов является джоулев нагрев и результирующее тепловое расширение композитного материала. Последнее также может быть вызвано другими источниками тепла, такими как лазерное излучение
Другим примером мультифизических связей является анализ пьезоэлектрических слоев, которые встроены в композитные ламинаты
- В других физических процессах ламинат действует как граница трехмерной области, в которой происходят критические процессы. Например, можно соединить композитный ламинат с потоком окружающей жидкости и, таким образом, рассчитать передачу усилия между ламинатом и потоком вокруг жидкости. Такое соединение потребуется, например, для учета аэродинамических сил в лопасти ветротурбины.
- Другая связь очевидна для пьезоэлемента: распространение звука из-за пьезоэлектрической вибрации звукового преобразователя или наоборот, вибрации звукового датчика, возбуждаемого акустическими волнами, может быть смоделировано путем соединения слоистых композитов и акустических звуковых волн.
* Доктор Филипп Обердорфер и Мария Юга Рёмер, Comsol Multiphysics GmbH