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 Layerwise-Theorie und die äquivalente Einschichttheorie (ESL). Der Layerwise-Ansatz eignet sich für dicke bis mäßig dünne Verbundwerkstoffschichten mit einer begrenzten Anzahl von Lagen. Die ESL-Theorie eignet sich für dünne bis mäßig dicke Schichten und kann viele Lagen ohne nennenswerte Leistungseinbußen berücksichtigen. Mit diesen Theorien kann der Aufbau und andere Parameter eines Laminats optimiert werden, indem Multiskalen-, Multiphysik- und verschiedene Versagensanalysen durchgeführt werden.
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 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.
Zusätzlich kann das Composite Materials Module mit anderen Modulen der COMSOL® Produktpalette kombiniert werden, wodurch beispielsweise Wärmetransport, Elektromagnetik, Strömung, Akustik und piezoelektrische Effekte in Verbundwerkstoffmodelle einbezogen werden können.
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Laminattheorien zur Definition und Visualisierung von Laminaten
Die Analyse von laminierten Verbundschichten basiert in der Regel auf der Layerwise-Theorie oder der Theorie der äquivalenten Einzelschicht (Equivalent Single Layer, ESL).
Was mit dem Composite Materials Module modelliert werden kann
Durchführung verschiedener Strukturanalysen für Verbundlaminate mit der Software COMSOL®.
Mikromechanik und Makromechanik
Berechnen Sie die homogenisierten Materialeigenschaften und das makroskopische Verhalten von Verbundlaminaten.
Mehrskalenanalyse
Bewerten Sie die strukturelle Antwort einer Verbundstruktur sowohl auf der Makro- als auch auf der Mikroskala.
Nichtlineare Materialien1
Einbindung nichtlinearer Materialmodelle in einen Schichtverbund.
Delaminierung
Modellierung der Delaminationsentstehung und -ausbreitung in einer Verbundplatte.
Lineares Knicken
Berechnung der kritischen Lastfaktoren unter Druckbelastung und Festpunktbedingungen.
Schichtversagen
Bewertung der strukturellen Integrität einer laminierten Verbundschale.
Verbundoptimierung3
Optimierung von Verbundstoffaufbauten, Schichtdicken, Faserausrichtungen und Materialeigenschaften.
Strukturelle Verbindungen
Koppeln Sie Schalen- und geschichtete Schalenelemente mit anderen Strukturelementen mithilfe von Multiphysik-Kopplungen.
- Erfordert das Nonlinear Structural Materials Module
- Erfordert 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.
Layered Shell Interface
Das Interface Layered Shell, das in 3D verfügbar ist, bietet einen auf der Layerwise-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.
Mehrmodelle-Methode
Das Interface Layered Shell, das auf der Layerwise-Theorie basiert, ist genau, aber rechenintensiv. Das Interface Shell, das auf einer äquivalenten einschichtigen Theorie basiert, ist rechnerisch schlank, aber nicht in der Lage, genaue Ergebnisse über die gesamte Dicke zu erfassen. Die Methode mit mehreren Modellen - die diese beiden Theorien in den verschiedenen Teilen eines Verbundstofflaminats kombiniert - ist in Bezug auf Genauigkeit und Leistung die beste Wahl für die Modellierung von Sandwich-Verbundstrukturen.
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.
Mehrschichtiges Material-Schnitt Plot
Der Plot Layered Material Slice bietet mehr Freiheit bei der Erstellung von Schnitten in einem Verbundlaminat. Dieses Feature ist in den folgenden Fällen nützlich: wenn Sie einen Schnitt nur in einer oder einigen ausgewählten Schichten erstellen, wenn Sie einen Schnitt durch einige oder alle Schichten erstellen, diese aber nicht unbedingt in der Richtung durch die Dicke platzieren, und wenn Sie eine bestimmte Schicht im Detail untersuchen und einen Schnitt an einer Position innerhalb der Schicht erstellen, die von der Mittelebene entfernt ist.
Shell Interface
Das Interface Shell wird durch ein auf einer ESL-Theorie basierendes Materialmodell 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.
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.
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.
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:
- Wärmetransport1
- Elektrische Ströme2
- Piezoelektrizität2
- Poroelastizität3
- Akustik-Verbundwerkstoff-Wechselwirkung4
- Fluid-Verbundwerkstoff-Wechselwirkung5
- Benötigt das Heat Transfer Module
- Benötigt das AC/DC Module or MEMS Module
- Benötigt das Porous Media Module
- Benötigt das Acoustics Module
- Bei turbulenter Strömung, benötigt das CFD Module
Wärmetransport und elektrische Ströme
Modellierung der Joule'schen Erwärmung und der thermischen Ausdehnung in einem Verbundlaminat mit Mehrschichttechnologie.
Piezoelektrizität
Simulieren Sie piezoelektrische Verbundwerkstoffe, die zur Herstellung intelligenter Strukturen wie Sensoren und Aktoren verwendet werden.
Akustik-Verbundwerkstoff-Wechselwirkung
Modellierung der Vibroakustik durch Kopplung des Verbundstofflaminats mit einem umgebenden akustischen Bereich.
Fluid-Verbundstoff-Wechselwirkung
Verwenden Sie die Interfaces Shell und Layered Shell, um Verbundlaminate zu modellieren, die mit Gebieten von Fluiden interagieren.
Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.
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