拉伸载荷下三维编织复合材料的直接数值模拟【Simpleware应用】

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概述 编织复合材料由于其结构特性,特别是在厚度方向的增强作用,使其在航空航天等工业领域得到广泛应用。与传统材料相比,三维编织复合材料还可以降低制造成本和时间,但仍需要设计和测试,以便更好地理解渐进损伤并进行失效分析。在多尺度建模中,理解基础微观结构和缺陷对失效的影响历来都是具有挑战性的。使用 Simpleware 软件基于图像的建模方法与 NCYL 多尺度代码则解决了这些问题,从微观到细观和宏观,在不同的长度尺度上生成精确的网格。 亮点 采用多尺度建模方法(NCYL 代码)对三维编织复合材料进行渐进损伤和失效分析通过 micro-CT 在 Simpleware 软件中建模进行微结构缺陷的原位研究节省计算资源并加深对高价值材料的了解 Simpleware 软件的多尺度网格划分 运用 Simpleware 软件的新方法获得了在不同长度尺度上都高保真和计算精确的模型,用于在代表性体积单元(RVE)尺度理解微观和宏观尺度的关系。采用不同的 SkyScan Micro CT 系统(1173、1076、1076)获取不同长度尺度的图像,从一个 2”x1” 的样本,到一半试样,再到完整试样。考虑到计算效率,在 Simpleware 软件中只取一半的数据进行高分辨率的手动分割,从而减小导出 FE 模型的尺寸。Simpleware 软件可以直接从微观 CT 数据中分割出单独的纤维和基体区域,并构建原位缺陷。 图:不同尺度micro-CT设置参数对比 在 Simpleware ScanIP 模块对图像数据中每根纤维束进行分割并重建成三维结构。由 micro-CT 数据创建的Simpleware 模型重现了复合材料中的原位微观结构缺陷。 图:拉伸试件在Simpleware ScanIP中的纤维分割 模拟结果 扫描图像数据的代表性体积单元(RVE)也是在 Simpleware FE 中进行网格划分获得,可用于捕捉几何缺陷。将生成的有限元网格导出为 Abaqus 的格式,其中包含所有的有限元和节点信息以及纤维路径取向。 采用纤维-基体尺度的RVE预测纤维束有效性质以及复合材料的聚合物基体中微裂纹和微损伤的影响,继而以此从细观尺度在宏观有限元分析中预测刚度和应力。 图:纬纱纤维束断裂为两半 图:试件最终拉伸断裂 图:试件最终拉伸断裂(三维等轴视图) 结论 一个分析缩比模型(NCYL)也为三维编织复合材料重的渐进损伤和失效分析提供了计算效率高的框架。渐进损伤和失效分析的模拟结果与实验数据吻合良好,研究了纬纱方向的面内弹性模量。全局-局部建模策略得益于基于图像建模的原位微观结构缺陷的因素,而缩比细观力学模型能够预测均质纤维束的有效非线性响应。本案例为研究者提供了一种具有较低计算成本的方法,适用于研究高价值复合材料中的大尺度渐进损伤和失效分析。 参考 […]

纤维增强复合材料的模拟

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概述 由于复合材料的复杂结构和材料特性,碳纤维增强材料的测试通常比较困难。为解决这个问题,岛津公司(Shimadzu)和 Cybernet Systems 的研究人员开发了一个可以比较 CAE 分析与织物材料真实测量的工作流程。 本案例研究展示了 CAE 分析的工作流程,采用微焦X射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性(CFRTP)织物材料,获得其内部结构。将扫描结构导入 Simpleware 软件重建后进行多尺度分析和微观尺度的断裂行为模拟。测试系统的实测与 CAE 多尺度分析结果的比较可论证该技术的价值。 亮点 使用 Synopsys 公司的 Simpleware 软件重建复杂复合材料的内部结构。利用 CAE 工具进行多尺度分析模拟,Sim™ 工具有助于加深对材料性能的研究。该方法有助于行业内结合测量和分析技术,从而更高效地进行材料和产品设计 介绍 用于运输的碳纤维增强材料和其他复合材料可以设计为减重和环保的复合材料。但复合材料内部结构的复杂性和材料性能的各向异性导致测试会比较困难,需要一种实际测量与仿真相结合的产品设计方法应对这一挑战,这对具有复杂材料性能和变形行为的纤维增强复合材料尤为重要。 为了解决这个问题,研究人员开发了一个包含 Simpleware 软件作为其中一环的 CAE 分析工作流程,比较CAE 分析与实际测量的结果。采用微焦 X 射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性(CFRTP)织物材料获取内部结构,然后进行多尺度分析,模拟微观尺度的断裂行为。将测试系统的实测结果与 CAE 多尺度分析结果进行对比,论证该技术的价值。 微观结构的生成 为利用均质化技术预测材料的物理性能参数值,需要提供用于分析模型的微观结构形态作为已知量。使用 Ansys®的 Multiscale.SimTM 插件基于微观结构的形态参数生成模型,对默认的结构数据(模型1)和采用微焦 X 射线 CT 系统(inspeXio™ SMX™-225CT FPD HR, Shimadzu)扫描的 CFRTP 织物材料生成的结构数据(模型2)进行虚拟材料测试/数值材料测试(NMT)。 将图像数据导入 Simpleware […]