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복합재 해석 기능은 다음과 같은 강력한 솔버를 통해 오랫동안 활성화되어 왔습니다. Abaqus그리고 가장 중요한 복합재 설계 도구는 CATIA V5 (또는 3D익스피리언스 카티아). 두 솔루션 모두 업계를 선도하는 솔루션이며, 새로운 솔루션인 3DEXPERIENCE 플랫폼은 이러한 기능을 모델링 및 시뮬레이션을 위한 단일 솔루션으로 통합할 수 있도록 지원합니다(MODSIM)은 모든 복합재 요구 사항을 충족하는 통합 워크플로우입니다. 이 문서에서는 컴포지트 분석에 중점을 둔 3D경험 플랫폼 CATIA 컴포지트 디자인 블로그의 추가 기능으로 제공됩니다. 여기.
왜 복합 머티리얼을 시뮬레이션해야 할까요?
복합재는 항공우주, 자동차, 소비재, 심지어 의료 분야까지 고강도 경량 설계가 중요한 거의 모든 산업 분야에서 가장 인기 있는 소재 중 하나입니다. 이처럼 빠르게 변화하는 분야에서 혁신을 이루려면 단순히 복합 소재를 사용하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 복합재 구조의 성능을 검증하고 테스트해야 하며, 이때 시뮬레이션이 필요합니다.
복합 구조의 툴링이나 프로토타입을 개발하는 데는 비용이 많이 들기 때문에 파괴 테스트를 통한 검증은 그다지 매력적이지 않습니다. 대부분의 경우 설계 단계 초기에 구조를 시뮬레이션하여 물리적 테스트의 필요성을 줄이는 것이 더 쉽습니다.
복합재 시뮬레이션이 어려운 이유는 무엇인가요?
기존의 레이업 또는 단방향 테이프 복합재 구조는 본질적으로 직교성 또는 이방성입니다. 간단히 말해, 이는 재료의 강성이 방향에 따라 다르며 장력과 압축도 다를 수 있다는 것을 의미합니다.
복합 구조는 시뮬레이션이 유독 어렵다는 것을 증명합니다. 대부분의 머티리얼 데이터는 유한 요소 분석(FEA) 는 재료가 늘어나는 일축 인장 시험에서 파생되며, 재료가 변형되는 양과 함께 하중이 측정됩니다. 이를 통해 시뮬레이션에 사용할 수 있는 응력-변형률 곡선이 생성됩니다.
복합재의 경우 각 디자인마다 자체 레이업 스택이 있으므로 각 디자인마다 소재를 특성화하기 위해 최소 세 번의 개별 물리적 테스트가 필요할 수 있습니다. 이로 인해 전통적으로 많은 소규모 기업에서는 복합 구조의 재료 특성화를 달성할 수 없었습니다.
이 블로그에서는 다음과 같은 방법을 시연합니다. 3DEXPERIENCE는 복합 설계와 해석을 한 지붕 아래에서 강력하게 통합하여 이러한 환경을 변화시키고 있습니다.
Abaqus와 같은 강력한 FEA 도구는 정확한 복합재 해석의 오랜 역사를 가지고 있습니다. 이는 몇 가지 핵심 기술을 통해 가능합니다.
먼저 모델링에서 가장 어려운 부분에 대해 알아보겠습니다. any 복합 구조 – 머티리얼 동작을 올바르게 모델링합니다.
거시적 머티리얼 모델링
Abaqus 및 3D경험 시뮬레이션 은 거시적 규모에서 완전한 이방성 재료 거동을 구현할 수 있습니다. 즉, 복합 재료가 하중 방향에 따라 강성 특성이 변하는 균질한 재료로 모델링됩니다. 사용자는 시뮬레이션 툴 내에서 필요에 따라 다양한 방식으로 복합 레이업 재료의 특성을 정의할 수 있습니다. 이 네 가지 유형의 이방성 탄성은 다음과 같습니다:
- 이방성 재료 속성은 세 가지 이방성 방향 모두에서 탄성 계수, 전단 계수, 포이즌 비율을 입력하여 입력할 수 있습니다.
- 라미나 속성은 탄성, 단일 포이즌 비율, 세 방향의 전단 계수에 대한 평면 및 횡방향 속성만 사용하여 평면 응력 공식으로 입력할 수 있습니다(적층 쉘에 가장 일반적으로 사용됨).
- 완벽한 등방성 재료는 등방성 재료 매트릭스에서 0이 아닌 모든 용어를 명시적으로 정의해야 합니다.
- 완전 이방성 머티리얼은 이방성 행렬에 0이 아닌 모든 항을 명시적으로 정의해야 합니다. 머티리얼 매트릭스에서 모든 0이 아닌 용어를 명시적으로 정의해야 합니다.
3D경험 에서 복합 디자인 데이터를 매핑할 수 있습니다. 드레이핑, 섬유 방향 및 레이업 정보에 직접 연결하여 복잡한 구조 매트릭스를 계산할 수 있는 CATIA(자세한 내용은 나중에 설명합니다).
마이크로메카닉스 머티리얼 모델링
이 접근 방식에서는 섬유와 매트릭스 보강재가 변형 가능한 바디로 개별적으로 모델링됩니다. 이 방법이 가장 강력한 결과를 얻을 수 있지만 복합 구조의 모든 섬유를 개별적으로 모델링하고 해당 섬유와 복합 매트릭스 간의 접촉 상호작용을 시뮬레이션하는 것은 계산량이 너무 많아 의미 있는 규모로 실행하기 어렵습니다.
섬유 매트릭스 박리의 단위 셀. Dassault Systèmes™ 이미지 제공
In 3D체험 시뮬레이션, 사용자는 대신 섬유 보강 파라미터를 지정하여 결합 시 복합 재료의 대표 체적 요소(RVE)를 생성하고 이 작은 체적을 추정하여 더 큰 규모의 복합 구조의 재료 특성을 결정할 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 몇 가지 간단한 매개변수만 입력하면 복잡한 복합 재료 특성을 빠르고 쉽게 정의할 수 있습니다.
손상 모델
복합 파손은 일반적으로 두 가지 파손 모드 중 하나에서 발생합니다. 과도한 장력, 압축 또는 전단으로 인해 개별 플라이(레이어)에 불량이 발생하거나 플라이 자체에 박리가 발생하는 경우입니다.
Dassault Systèmes™ 이미지 제공
3D경험 시뮬레이션에는 특정 플라이에서 고장이 발생하는 순간을 모델링할 수 있는 기능이 있습니다. 이 손상 시작 매개변수는 몇 가지 방법 중 하나로 정의할 수 있습니다:
- 최대 응력 이론 – 방향 응력의 각 구성 요소를 측정하고 정의된 응력 한계와 비교하는 간단한 응력 기반 고장 기준입니다. 이 이론은 응력 구성 요소의 다른 방향 간 상호 작용을 제공하지 않으므로 정확도가 제한적입니다.
- 최대 스트레인 이론 정의된 한계에 대해 방향 변형 성분을 측정하는 간단한 변형 기반 고장 기준입니다.
- 차이힐 이론 이 모델은 로드니 힐이 개발한 힐 수율 기준 모델을 확장한 것입니다. 차이-힐 고장 기준은 복합 라미나의 고장을 예측하는 데 사용되는 간단한 모델입니다.
- 차이우 이론 이 실패 모델은 나중에 차이-힐 기준의 형태를 매끄럽게 하기 위해 도입되었습니다. 이 모델은 실험 데이터와 비교할 때 차이-힐보다 더 정확한 결과를 제공할 수 있지만 일반적으로 그 차이는 크지 않습니다.
혼합 모델링
이 두 가지 기본 고장 모드는 복합재의 극단적인(내부/외부) 레이어 중 하나에서 항상 고장이 발생하는 것은 아니기 때문에 더욱 복잡해집니다. 따라서 모든 레이어를 개별적으로 모델링해야 합니다. 이를 고려하기 위해 3D경험 시뮬레이션은 복합 구조의 혼합 모델링 공식을 사용합니다. 각 개별 플라이는 위에 나열된 이방성 방법 중 하나로 특성화된 다음 구조의 설계에 따라 적층됩니다. 이를 통해 복합재의 설계 프로세스에 따라 매우 견고한 강성을 표현할 수 있습니다.
두께가 균일하지 않은 쉘
대부분의 복합 구조물은 주요 치수에 비해 매우 얇기 때문에 솔버 효율을 높이기 위해 쉘 요소를 사용하는 것이 유리합니다. 그러나 많은 복합 구조물은 실패 가능성을 줄이기 위해 응력이 높은 영역에 추가 레이업 레이어를 가질 수 있습니다. 많은 시뮬레이션 툴은 쉘 요소가 몸체 전체에 걸쳐 단일하고 균일한 두께를 갖는다고 가정하지만, Abaqs와 3D경험 시뮬레이션. 셸 두께는 사용자가 생성한 공간 데이터에 매핑하거나 CATIA 3D CAD 지오메트리 자체에 연결할 수도 있습니다.
디자인 링크
다쏘시스템™ 는 복합재 설계 도구 및 유한 요소 해석 도구 분야의 업계 리더입니다. 수년 동안 이러한 도구는 서로 단절된 사일로에 존재했습니다. 하지만 3D경험 플랫폼은 복합 디자이너와 분석가를 연결하여 업계에 혁신을 일으켰습니다. 디자이너는 세계 최고 수준의 CATIA 복합재 설계 기능을 사용하여 계층화된 복합재 정의를 Abaqus에서 제공하는 시뮬레이션 툴로 직접 라우팅합니다. solver.
작동 방식
디자이너가 CATIA 컴포지트 디자인 앱은 제 동료 Tim이 그의 기사에서 설명한 방법론 중 하나를 사용하여 레이업 디자인을 완성할 수 있습니다. 여기. 복합 디자인 영역에 포함된 재료는 단방향, 양방향, 비구김 패브릭 또는 비구조적 재료로 특성화할 수 있습니다. 이러한 재료에는 경화 및 미경화 두께 비율, 변형 한계 및 기타 변수도 포함됩니다. 시뮬레이션에서 가장 중요한 것은 방향성 정의인데, 이는 이방성 강성 정의에 영향을 미치기 때문입니다.
여기에서 복합 도메인 재료 정의와 시뮬레이션 도메인 재료 속성을 결합하는 재료 링크를 “라우팅”하여 개별 재료를 시뮬레이션 매개변수에 연결합니다.
여기에서 분석가는 앞서 설명한 대로 올바른 복합 프로퍼티에 연결할 수 있습니다. 다음은 시뮬레이션용 복합 재료 정의의 예입니다. 이 머티리얼 링크의 라우팅 재지정은 모델의 초기 설정에만 필요합니다. 지오메트리, 플라이, 레이어 또는 방향에 대한 모든 변경 사항은 그에 따라 업데이트됩니다.
다음 단계는 컴포지트의 기하학적 정의를 위에서 생성한 머티리얼 속성과 결합하는 것입니다. 이 작업은 섹션 정의에서 구조 모델 생성 앱.
복합 디자인 정보가 있는 바디를 선택하면 사용자는 복합 레이업 정보를 구조 메시로 매핑하는 다양한 방법 중 사용하는 디자인 워크플로우에 가장 적합한 방법을 선택할 수 있습니다.
이 one 상자가 주요 차별화 요소입니다. 3DEXPERIENCE 및 기타 복합재 설계 및 해석 솔루션. 복합재 제조 시 발생하는 드레이핑, 뒤틀림 및 기타 결함을 예측하고 이러한 결함을 유한 요소 해석을 위한 구조 모델에 매핑하는 기능은 레이어드 복합재 구조로 작업하는 모든 사람에게 획기적인 변화를 가져다줍니다.
여기서부터 FEA 모델의 설정은 다른 재료와 다를 바 없습니다. 환상적인 Abaqus 활용 솔버를 사용하면 기본적인 정적 또는 공진 주파수 분석부터 명시적인 동적 충격 또는 낙하 테스트 연구까지 모든 것을 해결할 수 있습니다.
The 3D경험 플랫폼 는 3D 모델링과 시뮬레이션 설계 프로세스의 통합을 진정으로 혁신하고 선도하고 있습니다. MODSIM 줄여서 모ㄷ심이라고 합니다. 이 글은 이러한 혁신의 한 예일 뿐이며, 더 많은 혁신이 있습니다.
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