Бюлетин

Анкета

Комбинираният анализ: вашият нов избор

Ръководство за инженеринг и дизайн за избор на софтуер при работа със съвременни комбинирани материали

Памела Ж. Уотърман

Въпреки, че софтуерни продукти  за извършване на комбиниран анализ се предлагат вече повече от 20 години, може би вие за пръв път използвате този вид материали във вашите проекти. Или пък вероятно вашите нужди в тази област надхвърлят възможностите на пакетите за анализ, които използвате към момента. Каквато и да е причината, вие вероятно знаете, че работата с подобни материали изисква наличието на капацитет, който далеч надхвърля стандартните техники за моделиране и анализ.

Добрата новина е, че десетки фирми предлагат на пазара софтуерни продукти, които включват или са фокусирани върху използването на тези не чак толкова екзотични материали. А още по-добрата новина е, че тези пакети работят бързо с днешните компютърни платформи, тяхната употреба е по-лесна от всякога и те често са свързани с приложенията на други вендори.

DE изиска от експертите да определят критичните точки при оценка на софтуерните продукти за комбиниран анализ. Те определиха въпросите, които да бъдат зададени и ситуациите, които трябва да бъдат отчетени, независимо дали става въпрос за дълговлакнести комбинирани материали, слепени слоеве или структури с форма на пчелни пити. Отговорите са ориентирани към реалните приложения, с цел постигане на дълготрайни резултати, приложими в производството. (В края на статията е публикуван списък на ресурси, който включва вендори на софтуер за комбинирано моделиране, анализ, оптимизация и производство).

Създаване на модел
Изграждането на модел, базиран на комбинирания метод за анализ на крайните елементи (FEA/MKE) включва стандартните стъпки за определяне на геометрията, уточняване на свойствата на материалите и свързване на модела за анализ. И все пак, при работа с не-изотропни материали е необходимо софтуерът да позволява определянето на реалните параметри на всеки слой. 3D CAD, както и пакетите за анализ, обикновено се справят с тази задача, но друг е въпросът как го правят и какво още поддържат.

• Дали броят на възможните слоеве е неограничен във виртуална среда? Част от проектите се нуждаят от десет слоя, други може да имат нужда от хиляди.  Напредъкът в областта на извършване на изчислисления доведе до липса на ограничения при моделирането.
• Може ли от електронните таблици да се импортират данни за слоя като здравина и твърдост?
• Могат ли лесно да бъдат добавени или изтрити слоеве и при коя фаза на процеса?
• Какви за възможностите за определяне на фибро ориентирани ъгли? Софтуерът трябва да обработва ъгли, в съответствие с   основната ос, локалните оси, повърхността на формите.
• Може ли да се комбинират съставни и несъставни елементи , като лъчи,  пружини и обвивки, направени от метални структури?
• Може ли да се дефинира слой като медна пита?
• По какъв начин се моделират лепилата и адезивните материали между слоевете – чрез повърхностен свързващ контакт или чрез тънък слой?
• Може ли проектът да съдържа физически отвори? Какъв редактор се използва за актуализиране на дебелината, ъглите и свойствата на материалите? Процесът на моделиране съответства ли на различните производствени процеси като ръчно усукване, изработване на намотки и компресиране?

Свойства на материалите

Когато става въпрос за дефиниране на специфични материали, софтуерът трябва или да разполага със свои собствени данни или да има възможност за импорт на данни за свойствата на материалите от комерсиални продукти като MatWeb и Matereality.

Като се има предвид всичко това, попитайте вендорите за следното:

• Възможно ли е създаването на микроматерални модели на клетъчно ниво? Могат ли да се включват и цялостни материални модели? Могат ли да се обработват комбинации от еластични и нееластични материали?
• Могат ли да се покажат влакнести опаковки, както и сплетени или тъкани конфигурации?
• Могат ли да се въвеждат произволни вариации, фибро-ориентирани, за да се позволи изработването им в реални условия?
• Може ли да бъде включено съпротивление към деформация като начална точка, особено във фаза проектиране, а впоследствие тези стойности да бъдат заменени на база „пласт по пласт”
• Софтуерът позволява ли на потребителите да извършват уедняквяване на свойствата в матрицата?
• Дали всяка промяна на даден елемент се поддържа автоматично?

Свързване

Когато моделът е завършен, вие се нуждаете от опции за ориентиране на процеса на сързване (краен елемент). Дали искате да използвате твърди или слоести елементи? В началото някои  анализатори започват да моделират структурата като слоест елемент, след което я прикрепят към детайлна мрежа от твърди елементи, като по този начин се постигат по-добри резултати.

Общ анализ

 
Софтуерът трябва да предлага едновременно имплицитни и експлицитни решения, а също така да включва макро и микро механични анализи на: 1) глобално ниво, насочено към цялостното отклонение, огъванията и  естествените честоти на  структурата; 2) пласта или равнището на слоя, като се определят вътреслоестите формирования и натоварванията и 3) на ниво матрица, където се предоставя детайлно разпределение на натоварването в рамките на един слой.

Други въпроси, свързани с решението:

• Използва ли се същия FEA модел при имплицитни и експлицитни решения, с цел спестяване на време?
• Работи ли с метални, керамични и полимерни матрици?
• Имате ли възможност за изчисление на еквивалентните свойства на материалите в пред-процесора или в решението?
• Свойствата на материалите променят ли се по адекватен начин при промяна на геометричните форми?
• Отчита ли се ефекта от топлинния пренос? Има ли възможност за осъществяване на проводимост, топлинно и флуидно взаимодействие?
• Отчитат ли се първоначалните напрежения в различните комбинирани слоеве (напр. дали слоят е свърхнатоварен по време на производството)?

С толкова много информация, съдържаща се във всеки квадратен инч от конструкцията на анализираните комбинирани материали, способността за визуализация на детайли от ориентирането на материала се превръща в критична. Убедете се сами, че съществува възможност за проверка на визуализацията на насочените ъгли и на перпендикулярите слой по слой; резултатите от натоварването на основния, критичния и специфичен лист; повреди в енергийната плътност.

Анализ на грешките

Комбинирантите и метални материали са обект на повреди, каквито не се откриват в едноматериалните структури.  Разслояването (повреди при металите) и повреди във влакната или матриците могат до доведат до влошаване на резултата, а въпросът , който се налага е – доколко е сериозно това влошаване? Дали външният слой ще се нагъне или набръчка? Дали повредата на даден слой е равносилна на повреда на цялата част? Моделирането на повредите е от съществено значение за постигане на успех.

Софтуерният продукт трябва да може да изследва видимите ефекти от грешките  (BVID). Софтуерът помага ли ви да определите допустимите отклонения на повредите? Тъй като всеки конструктор използва различни критерии за определяне на грешки, пакетът трябва да позволява гъвкавост при определянето, а в идеалния случай – да позволява създаване на собствени макроси.

В случай, че третирате комбинирания материал като еднороден и изцяло  смесен, вие можете да изследвате параметрите като обикновено максимално напрежение и максимално натоварване и да използвате моделите за отчитане на повреди Tsai-Wu, Hill и Hoffman.

На какво още трябва да обърнете внимание и по какъв начин? Някои кодове предоставят детайлна симулация и използват версията на публичния домейн VCCT, пост-процесори и техники за разпространение на прогресивен крак между свързаните повърхности. Попитайте дали чрез анализа на грешките може да бъде изследвана остатъчната здравина и какъв подход трябва да бъде приложен за тази цел. Може ли по време на симулацията да бъде добавена повреда (а не тя да бъде изчислена след симулацията)? Могат ли да се деактивират елементите, за да се симулира отстраняване или счупване на материали?

Оптимизиране на дизайна

 
Обикновено конструкторите използват комбинирани материали, за да намалят  теглото, при спазване на нормите за здравина. Въпреки това, поради големия брой включени променливи, оптимизацията вече не е тривиална задача и може да доведе до създаване на прекалено консервативен дизайн. Поинтересувайте се за следното:

• Софтуерът притежава ли възможности за интерактивна оптимизация, така че в дадена натоварена среда да може да се определи най-леката комбинация от матерали, системи и нагънати слоеве?
• Доколко е улеснено преориентирането на слоевете или промяната на поредиците, да са се сравнят поведенческите разлики? Възможна ли е бърза промяна на вида на материала в съотвтения слой?
• Има ли възможност за оптимизация на цялостна структурна единица, като напр. крила и корпус на самолет?
• Има ли възможност за поддържане на структури тип „сандвич”, като напр. твърди метални структури?
• Пакетът свързан ли е с други решения, пре- и постпроцесори, както е необходимо?
• Параметрите на конструкцията отчитат ли нивата на толерансност и доколко са улеснени вариациите?
• Експерименталният дизайн основна част ли е в процеса на оптимизация?
• Има ли възможност за оптимизиране на отделен обект или на множество обекти?

Въпроси, свързани с производството

Симулацията предоставя големи възможности, но това, което е необходимо е производството на реален продукт. Добре е, да се запознаете с интерфейса между софтуера за анализ и различните пакети за производствена симулация. Освен това вие се нуждаете от софтуер, който ще ви помогне да включите не-геометрични детайли като скрепителни елементи, лепила, замазки и покрития, както и да се предвидят  очакваните термични свивания.

Следващи стъпки

 
Какви са вижданията на експертите за бъдещето? Софтуер, който да позволява извършването на многомащабни анализи и по-детайлно разпределение на натоварването на един единствен слой. Засега се запознайте с документите и ръководствата, публикувани на фирмените уеб-сайтове, разговаряйте с експертите за конкретните проекти и се възползвайте от техния богат опит, който ще ви доведе до успешни резултати при анализ на комбинираните материали.