Introduction à l’analyse par éléments finis des matériaux composites connectés à la CAO : un changement de jeu pour la conception des matériaux composites

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La fonctionnalité de l’analyse des composites a longtemps été rendue possible par des solveurs puissants tels que Abaquset le principal outil de conception de composites est CATIA V5 (ou 3DEXPERIENCE CATIA). Ces deux solutions sont des leaders de l’industrie, et l’avènement de l’application 3DLa plate-forme EXPERIENCE a permis de fusionner ces fonctionnalités en une solution unique pour un projet de modélisation et de simulation (MODSIM) pour tous vos besoins en matière de composites. Cet article se concentre sur l’analyse des composites sur le 3DPlate-forme EXPERIENCE et se veut un complément au blog de conception de composites CATIA. ici.

Pourquoi simuler les matériaux composites ?

Les matériaux composites sont l’un des matériaux les plus populaires dans presque tous les secteurs où la conception de produits légers et très résistants est cruciale, notamment dans l’aérospatiale, l’automobile, les biens de consommation et même le secteur médical. Pour innover dans ces domaines en constante évolution, il ne suffit pas d’utiliser des composites. Les structures composites doivent être validées et testées en termes de performances ; c’est là que la simulation entre en jeu.

Le développement d’outils ou de prototypes de structures composites est coûteux, ce qui rend la validation par des essais destructifs beaucoup moins attrayante. Dans de nombreux cas, il est plus facile de simuler la structure dès le début de la phase de conception afin de réduire le besoin d’essais physiques.

Pourquoi la simulation des composites est-elle difficile ?

Les structures composites à stratification traditionnelle ou à bande unidirectionnelle sont de nature orthotrope ou anisotrope. En termes simples, cela signifie que la rigidité du matériau n’est pas la même dans les différentes directions et qu’elle peut également être différente en traction et en compression.

Cela s’avère particulièrement difficile pour la simulation. La plupart des données sur les matériaux pour les Analyse par éléments finis (FEA) L’analyse par éléments finis (AEF) est dérivée d’essais de tension uniaxiale au cours desquels le matériau est étiré et la charge est mesurée en même temps que l’ampleur de la déformation du matériau. Cela génère une courbe contrainte-déformation qui peut être utilisée pour la simulation.

Dans le cas des composites, chaque conception aura son propre empilement de couches, ce qui signifie que chaque conception pourrait nécessiter au moins trois essais physiques distincts pour caractériser le matériau. De ce fait, la caractérisation des matériaux des structures composites est traditionnellement inaccessible à de nombreuses petites entreprises.

Ce blog démontrera comment 3DEXPERIENCE change la donne avec une intégration puissante de la conception et de l’analyse des composites sous un même toit.

Les puissants outils d’analyse par éléments finis tels qu’Abaqus ont une longue histoire d’analyse précise des composites. Cela est possible grâce à quelques technologies clés.

Tout d’abord, abordons la partie la plus difficile de la modélisation tout structure composite – en modélisant correctement le comportement du matériau.

Modélisation macroscopique des matériaux

Abaqus et 3DEXPÉRIENCE SIMULATION peut permettre un comportement totalement anisotrope du matériau à l’échelle macroscopique. Cela signifie que le matériau composite est modélisé comme un matériau homogène dont les propriétés de rigidité changent en fonction de la direction de la charge. Ces outils permettent à l’utilisateur de définir les propriétés du matériau composite à l’intérieur de l’outil de simulation de différentes manières en fonction de ses besoins. Ces quatre types d’élasticité anisotrope sont les suivants :

• Les propriétés des matériaux orthotropes peuvent être saisies en indiquant le module d’élasticité, le module de cisaillement et le rapport de poison dans les trois directions orthotropes.
• Les propriétés de la lamine peuvent être saisies comme une formulation de contrainte plane utilisant uniquement les propriétés d’élasticité dans le plan et transversales, un seul rapport de poison et le module de cisaillement dans les trois directions (le plus souvent utilisé pour les coques stratifiées).
• Les matériaux parfaitement orthotropes doivent définir explicitement tous les termes non nuls de la matrice du matériau orthotrope.
• Les matériaux parfaitement anisotropes doivent définir explicitement tous les termes non nuls de la matrice de matériau anisotrope. matrice du matériau anisotrope.

3DEXPÉRIENCE nous permet de cartographier les données de conception composite de CATIA pour un lien direct avec les informations relatives au drapage, à l’orientation des fibres et à la stratification, ce qui permet de calculer pour vous la matrice structurelle complexe (nous y reviendrons plus tard).

Modélisation des matériaux micromécaniques

Avec cette approche, les matériaux de renforcement des fibres et de la matrice sont modélisés séparément comme des corps déformables. Bien que cette méthode produise probablement les résultats les plus robustes, la modélisation de chaque fibre d’une structure composite et la simulation des interactions de contact entre ces fibres et la matrice composite deviennent rapidement trop exigeantes en termes de calcul pour être viables à une échelle significative.

Cellule unitaire d’un délaminage de matrice de fibre. Avec l’aimable autorisation de Dassault Systèmes™

En 3DSIMULATION D’EXPÉRIENCE, l’utilisateur peut à la place dicter les paramètres de renforcement des fibres qui, une fois combinés, créent un élément de volume représentatif (EVR) du matériau composite et extrapolent ce petit volume pour déterminer les caractéristiques du matériau de la structure composite à plus grande échelle. Cela permet à l’utilisateur de définir rapidement et facilement les propriétés d’un matériau composite complexe en entrant quelques paramètres simples.

Modèles d’endommagement

La défaillance d’un composite se produit généralement selon l’un des deux modes de défaillance suivants. Soit il y a une rupture dans les plis individuels (couches) en raison d’un excès de tension, de compression ou de cisaillement, soit il y a délamination entre les plis eux-mêmes.

Avec l’aimable autorisation de Dassault Systèmes™

3DLa SIMULATION DE L’EXPERIENCE permet de modéliser le moment de la rupture d’un pli donné. Ce paramètre d’initiation de l’endommagement peut être défini de plusieurs manières :

• • Théorie de la contrainte maximale – Critères de défaillance simples basés sur la contrainte qui mesurent chaque composante de la contrainte directionnelle et la comparent à une limite de contrainte définie. Cette théorie ne prévoit aucune interaction entre les différentes directions des composantes de la contrainte, de sorte que la précision est limitée.

• • Théorie de la déformation maximale – Critère de rupture simple basé sur la déformation qui mesure les composantes directionnelles de la déformation par rapport à des limites définies.

• • Théorie de Tsai-Hill – Ce modèle est une extension du modèle de critère de rendement de Hill développé par Rodney Hill. Le critère de rupture de Tsai-Hill est un modèle simple utilisé pour prédire la rupture d’une lamelle composite.

• • Théorie de Tsai-Wu – Ce modèle de défaillance a été introduit ultérieurement pour lisser la forme des critères de Tsai-Hill. Ce modèle peut fournir des résultats plus précis que le modèle de Tsai-Hill lorsqu’il est comparé à des données expérimentales, mais la différence n’est généralement pas importante.

Modélisation mixte

Ces deux modes de défaillance de base sont encore compliqués par le fait que la défaillance ne se produit pas toujours dans l’une des couches extrêmes (intérieure/extérieure) du composite. Par conséquent, toutes les couches doivent être modélisées de manière discrète. Pour tenir compte de ce phénomène, 3DLa SIMULATION DE L’EXPERIENCE utilise une formulation de modélisation mixte de la structure composite. Chaque pli individuel est caractérisé par l’une des méthodes anisotropes énumérées ci-dessus, puis empilé en fonction de la conception de la structure. Cela permet une représentation très robuste de la rigidité qui est pilotée par le processus de conception du composite.

Coquilles d’épaisseur non uniforme

La plupart des structures composites sont très minces par rapport à leurs dimensions principales, ce qui signifie qu’il est avantageux d’utiliser des éléments de coque pour augmenter l’efficacité du solveur. Cependant, de nombreuses structures composites peuvent comporter des couches supplémentaires dans les zones de forte contrainte afin de réduire la probabilité de défaillance. De nombreux outils de simulation partent du principe qu’un élément de coque a une épaisseur unique et uniforme dans tout le corps, mais ce n’est pas le cas avec Abaqs et 3DEXPÉRIENCE SIMULATION. Les épaisseurs de coque peuvent être mises en correspondance avec des données spatiales créées par l’utilisateur, ou même être liées à la géométrie CATIA 3D elle-même.

Lien de conception

Dassault Systèmes™ est un leader industriel dans le domaine des outils de conception des composites et des outils d’analyse par éléments finis. Pendant de nombreuses années, ces outils ont existé dans des silos déconnectés. Le 3DEXPERIENCE Platform a révolutionné l’industrie en reliant les concepteurs de matériaux composites et les analystes. Les concepteurs peuvent utiliser la plateforme CATIA et acheminer la définition des matériaux composites en couches directement vers les outils de simulation alimentés par le logiciel Abaqus solveur.

Comment ça marche

Un concepteur qui utilise l’outil CATIA Conception de composites app peuvent compléter leur conception de stratification en utilisant l’une des méthodologies discutées par mon collègue Tim dans son article ici. Les matériaux utilisés dans le domaine de la conception des composites peuvent être caractérisés comme étant unidirectionnels, bidirectionnels, non ondulés ou non structurels. Ces matériaux comprennent également des rapports d’épaisseur durcis et non durcis, des limites de déformation et d’autres variables. Les définitions de la directionnalité sont les plus importantes pour la simulation, car elles affectent la définition de la rigidité anisotrope.

À partir de là, les matériaux individuels sont connectés aux paramètres de simulation par « reroutage » du lien de matériau, qui combine la définition du matériau du domaine composite avec les propriétés du matériau du domaine de simulation.

À partir de là, l’analyste peut établir un lien avec les propriétés correctes du matériau composite, comme nous l’avons vu précédemment. Voici un exemple de définition de matériau composite pour la simulation. Ce réacheminement du lien vers le matériau n’est nécessaire que pour la configuration initiale du modèle. Toute modification de la géométrie, des plis, des couches ou de l’orientation sera mise à jour en conséquence.

L’étape suivante consiste à combiner la définition géométrique des composites avec les propriétés des matériaux créées ci-dessus. Cela se fait par le biais d’une définition de section dans le fichier Création du modèle structurel app.

Le choix d’un corps avec des informations de conception composite permet à l’utilisateur de sélectionner une variété de façons de mapper les informations de stratification composite sur le maillage structurel, selon ce qui est le plus approprié pour le flux de travail de conception utilisé.

Ceci un est le principal facteur de différenciation entre les 3DEXPERIENCE et d’autres solutions de conception et d’analyse des composites. La capacité de prévoir le drapage, le gauchissement et d’autres imperfections résultant de la fabrication des composites, puis de les intégrer dans un modèle structurel pour l’analyse par éléments finis, change la donne pour tous ceux qui travaillent avec des structures composites stratifiées.

À partir de là, la configuration du modèle d’analyse par éléments finis n’est pas différente de ce qu’elle serait avec n’importe quel autre matériau. En tirant parti du fantastique logiciel Abaqus permet à l’utilisateur de résoudre n’importe quel problème, de l’analyse statique de base ou de l’analyse des fréquences de résonance jusqu’aux études d’impact dynamique ou d’essai de chute.

Le 3DPlate-forme EXPERIENCE innove réellement et est à la pointe de l’intégration de la modélisation 3D et des processus de conception par simulation, ou MODSIM en abrégé. Cet article n’est qu’un exemple de cette innovation, et il y en a beaucoup d’autres.

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