基於ANSYS ACP 複合材料仿真計算實體鋪層設計過程淺述

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作者 | 付穌昇 仿真秀專欄作者

首發 | 仿真秀App

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付穌昇,仿真秀專欄作者,長期以來一直從事結構產品的強度、疲勞、複合材料、高級動力學、運動學、高級非線性、尺寸優化、拓撲優化與輕量化設計等方面仿真計算工作;擅長機械結構設計和原理聯合仿真計算進行產品性能升級,先後為多家企業提供仿真技術解決方案和項目實施工作若干;先後編寫出版書籍《ANSYS Workbench17.0數值模擬與實例精解》《ANSYS nCode DesignLife疲勞分析基礎與實例教程》
目前付工在仿真秀平臺撰稿多篇原創文章深受用戶好評,包括:
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本文付工結合工業軟件ANSYS平臺下復材設計與仿真計算模塊,進行關於中尺度複合材料實體鋪層方法和菜單解讀說明,在此僅希望對於使用這款軟件的國內讀者起到技術說明輔助作用,部分技術插圖援引於幫助文件和國內外專家的技術資料,作者一併感謝。
一、複合材料仿真計算方法
複合材料仿真計算方法一般可以分為微觀尺度、宏觀尺度、中尺度等仿真計算類型,目前主流工業仿真軟件一般都有能力對於這些分析類型進行仿真計算模擬分析。
微觀尺度計算是最細緻的計算方法,微觀方法定義纖維幾何在基體中的角度、位置、材料屬性等,可以建立從微觀尺度到宏觀尺度之間的聯繫,例如能夠藉助Material Design此類材料設計模塊進行宏觀尺寸參數的計算(計算微觀胞元均質化材料參數轉化為宏觀各向異性或者非各向異性計算參數,如圖1)用於宏觀方法計算,一般宏觀尺度方法主要用於不考慮復材層間評估的整體應力、模態、屈曲等分析模擬工作。 

 圖1 

中尺度復材仿真分析方法主要分析複合材料層合板應變、應力以及失效破壞準則。中尺度計算方法能夠選用殼體或者實體(鋪層生成)模擬計算,筆者使用的計算工具一般起始於建立複合材料單層模型,如圖2所示。
 圖2 
這種單層模型由基體和纖維進行構成,然後以任意方向連接在一起作為一種組合層或者疊片序列,每一個單層進行一個單層座標系體系的建立,通常把平行於纖維方向叫做1-Direction或者X-Direction,橫向垂直於纖維方向叫做2-Direction 或者Y-Direction,把垂直平面外法向叫做3-Direction或者Z-Direction。
通常條件下中尺度復材按照正交各向異性考慮材料屬性定義,採用九個參數進行材料參數的描述。採用中尺度建立的某變截面復材試驗工裝如圖3所示。
圖3
二、複合材料鋪層一般設計過程
復材鋪層設計方法對於不同的工業軟件有區別,但基本設計貫通,本文中筆者以較為熟悉的ANSYS WB平臺ACP復材模塊進行基本鋪層過程菜單簡要說明,對於曾經有人提問我的實體鋪層菜單進行重點說明。ACP復材計算方案一般需要由ACP-pre前處理、Mechanical求解模塊、ACP-post後處理聯合進行,復材鋪層工作則集中於Mechanical-Model與ACP-Pre前處理聯合完成。
1、材料屬性的定義
材料屬性定義由WB平臺的“Engineering Date”進行定義或者直接選擇,如圖4所示。材料傳輸到ACP-pre的“Material Date”中,導航樹下會自動出現定義材料名稱供選擇使用,注意的是Mechanical-Model中幾何模型定義材料與鋪層復材材料不相關。在該級導航樹下存在4個子菜單,如圖5所示。

 圖4 

【Materials】子菜單:記錄Workbench平臺【Engineering Data】建立的材料數據。
【Fabrics】子菜單:通用卡中建立單層纖維屬性,定義材料、厚度。分析選項卡中計算極座標下屬性值。Solid Model Opt選項卡中用於指定Drop-off和Cut-Off生成實體單元的控制方法。
【Stackups】子菜單:用於創建疊層,能夠設置對稱選型、層順序,組合定義每個Fabrics的使用和鋪層角度等。能夠計算Stackup的剛度、柔度矩陣等等。
【SubLaminate】子菜單:用於對【Fabrics】子菜單和【Stackups】子菜單的內容組合成為子層板。
 圖5 
2、幾何前處理準備工作
復材鋪層設計一般起始於殼體幾何模型,網格劃分在Mechanical中進行,通過網格劃分獲得ACP鋪層所需要的單元集合。ACP通過單元集和節點集建立複合材料對應區域的鋪層關係控制,可以建立Element Sets與Edge Sets兩種集合,其中Mechanical中定義的Name Selection(殼體或者線)將在ACP中轉化為對應的單元集合,我們將基於這個單元集合進行對應區域的鋪層設計或者控制定義,如圖6所示。

圖6
另外Element Sets與Edge Sets也可以在ACP環境下建立,但是建議預先通過Mechanical中定義Name Selection,方便後續在ACP環境中的單元集合的應用定義。
3、鋪層設計流程
復材鋪層設計過程在ACP-pre中的實現,主要可以通過如下幾個設計模塊來進行完成。
1) Rosettes定義
Rosettes用來定義參照方向(0°纖維方向),Rosette的X軸定為參照方向,如圖7所示。座標系的定義包含原點和兩個方向向量,原點座標通過點選單元或者節點以及輸入方式確定。通過Rosettes來定義不同的纖維方向,例如平行、徑向、圓柱等等。

圖7
2) Oriented Selection定義
導向集合Oriented Selection Sets 定義了鋪層基礎內容,包含關於複合層定義的重要細節,如圖8所示。
導向集合能夠定義鋪層的區域,即在Element Sets選項裡面確定這個鋪層信息是對於哪些單元集合進行的;確定層厚度的增長方向,由Orientation Point 定義偏移方向的參考點、Direction定義參考點出發的法向向量;選定方法和特定的座標系組合來確定選中單元的0°纖維的方向,即選擇方法指定了多個座標系同時起作用時的映射算法,最終Reference direction通過選擇方法、座標系和參考方向區域定義0參考方向。

圖8
3) 鋪層組設計
  • Modeling Plies建模層級,是ACP模塊建立復材鋪層的層級,其他兩層根據該層信息生成。

  • Production Plies產品層級,一個Fabric和Stackup均是一個產品層級,一個sublaminate通常包含多個產品層級。僅能查看不能編輯,能夠輸出生產用的文件。

  • Analysis Plies是ANSYS求解器使用的鋪層信息。一個Fabric成為一個分析鋪層。僅能查看,不能編輯,可以輸出鋪層。

圖9
鋪層組層定義是基於上一步建立的導向集合Oriented selection set,然後對於這個導向集合定義的單元和纖維進行賦予材料屬性,選擇纖維材料、指定纖維鋪層角度、指定鋪層的層數。層間失效的處理設置也在鋪層組中進行定義,如圖9所示。至此為止一般的鋪層過程就結束了,此時導入到Mechanical求解器中復材是採用殼體形式表達的鋪層結構。
三、實體鋪層生成與生成設計控制方法
複合材料計算可以基於殼體鋪層和實體鋪層兩種方式計算,上文中直接獲得的是基於鋪層的殼體模型的復材計算模型,但是當厚度方向的應力或平面外的剪應力顯著時,需要建立實體模型。對於實體模型需要考慮多個控制選項和設計方法,這也是此文寫作目的,重點介紹給曾提問我的技術同行解答部分,如圖10所示。
實體鋪層的生成設計控制一般包括:
  • 實體鋪層拉伸方法控制;

  • 拉伸實體單元厚度控制;

  • 指定起始拉伸鋪層控制;

  • 鋪層法向定義控制;

  • 錯層和切割處單元材料屬性設置控制以及單元質量控制等。

圖10

圖11 

1、Extrusion Method
復材實體結構來源於殼體鋪層,依據鋪層組中定義的鋪層順序,進行有序的鋪層方向實體單元的生長,部分方法示意如圖11所示。
  • Analysis Ply Wise::將每一個分析鋪層拉伸成一層實體單元。

  • Material Wise:將同種材料的連續鋪層拉伸成一層實體單元。

  • Modeling ply wise:每一個建模鋪層拉伸成一層實體單元。

  • Monolithic:所有鋪層拉伸成一層實體單元。

  • Production Ply Wise:每一個產品鋪層拉伸成一層實體單元。

  • Specified Thickness:按照指定厚度將鋪層拉伸成實體單元。

  • Sandwich wise:將芯材兩側的鋪層、芯材分別拉伸成一個實體單元層,三層實體單元。
2、Max element thickness
拉伸出實體單元厚度大於該值時被平分成多層。
3、Start ply groups at
指定起始拉伸鋪層。
4、Connect butt-jointed Piles 
連接對接鋪層選項用於連接同一個鋪層組內相鄰鋪層,避免在鋪敷區邊界六面體單元退化成稜柱單元,如圖12所示。

圖12 
5、Drop-offs和Cut-offs
控制復材實體單元生成時由於疊層錯層(不同尺寸層進行疊加)或者採用幾何切割實體復材獲得所需幾何樣式時的退化單元材料屬性設置。
例如推薦樹脂材料作為Global-Drop Off-Material,而使用芯材材料作為夾芯層的鋪層錯層材料。
在進行Drop-Off處理之後,能夠設置退化單元置於錯層(長度或者寬度尺寸變化)鋪層區域前或後部,如圖13所示。
在Global-Cut Off-Material中指定模型切割幾何後切斷單元的材料。同時能夠結合單元質量考慮退化單元是否進行保留,如圖14所示。Element Quality當生成的實體單元質量檢測Warping值超過給定值時,可以進行刪掉單元。
能進行偏移方向Offset direction的控制,Shell Normal以殼單元法向為準;Surface Normal隨著生成單元的法向改變下一層實體單元拉伸方向,如圖15所示
至此,以上內容就是ACP-pre在處理實體鋪層Solid Model Properties中需要進行考慮的設計菜單和說明內容,僅供參考。
圖13
圖14

圖15
四、案例應用
如圖16所示,這是筆者某項目中曾經計算的一個帶有加強層結構的復材計算模型,以實體幾何計算模型形式鋪層設計與計算,限於篇幅具體過程略。
 圖16 
(完)

寫在文後

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(完)

作者:付穌昇 ,仿真秀專欄作者,主要進行結構產品的強度、疲勞、複合材料、高級動力學、運動學、高級非線性、尺寸優化、拓撲優化與輕量化設計等方面仿真計算工作;擅長機械結構設計和原理聯合仿真計算進行產品性能升級,先後為多家企業提供仿真技術解決方案和項目實施工作多項;編寫出版書籍《ANSYS Workbench17.0數值模擬與實例精解》、《ANSYS nCode DesignLife疲勞分析基礎與實例教程》。
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