Cele stawiane przed konstruktorami wykorzystującymi materiały kompozytowe są coraz ambitniejsze. Wraz z szerszym zastosowaniem kompozytów rośnie ich złożoność, liczba warstw czy zmienność ich kształtów. Coraz częściej mamy również do czynienia z sublaminatami. Elementy wykonane z materiałów kompozytowych muszą charakteryzować się wytrzymałością i sztywnością przy zachowaniu niskiej masy – szczególnie w branżach takich jak automotive czy aerospace. Jak optymalizować kompozyty w oparciu o rozwiązania firmy Altair?
W optymalizacji projektów produktów kompozytowych korzysta się z takich narzędzi jak Altair HyperMesh oraz OptiStruct. HyperMesh jest preprocesorem, który dostarcza narzędzi do przygotowania modelu kompozytu. OptiStruct jest to solver, który wykorzystuje się w procesie optymalizacji. Dzięki swoim szerokim możliwościom i różnym podejściom do optymalizacji (optymalizacja topologiczna, topograficzna, freeshape, shape oraz size) jest on w stanie optymalizować kompozyty z uwzględnieniem wielu aspektów np. kształtu danej warstwy.
Na początku warto jednak wspomnieć, czym jest kompozyt oraz laminat. Kompozyt jest to materiał o niejednorodnej strukturze, który składa się z dwóch lub większej ilości faz (materiałów) o różnych właściwościach. Najczęściej charakteryzuje się anizotropowością właściwości mechanicznych (i nie tylko), które możemy wykorzystać w swoich konstrukcjach. Laminat jest jednym z typów materiałów kompozytowych charakteryzujących się budową warstwową. Są to najczęściej maty z kierunkowo ułożonymi włóknami zatopionymi w lepiszczu.
Definicja kompozytów w HyperMesh
HyperMesh posiada szereg narzędzi, które w znacznym stopniu przyspieszają definicję kompozytów, a także ich późniejszą edycję. Główną cechą pozytywnie wpływającą na jakość pracy jest możliwość definicji kompozytów metodą „ply based”, które możemy nazwać podejściem warstwowym. W większości programów mamy do czynienia z podejściem „zone based”, gdzie definicja kompozytów odbywa się poprzez podział modelu na strefy z różnymi konfiguracjami laminatu. W HyperMesh przypadkowi modelowania kompozytów elementami typu „shell” odpowiadają dwie karty właściwości: PCOMPG oraz PCOMPP. Karta PCOMPG definiuje właściwości kompozytów modelowanych metodą bazującą na strefach, a PCOMPP do definicji w podejściu warstwowym.
Zaletą podejścia „ply based” jest łatwość późniejszej edycji kompozytów. Gdy w podejściu strefowym zmienimy właściwości warstwy lub kolejność, konieczna jest edycja karty PCOMPG dla każdej strefy oddzielnie. W przypadku złożonych struktur wymaga to dużej ilości pracy, a dodatkowo może generować błędy. Istnieje na przykład ryzyko zapomnienia o zmianie właściwości w jednej ze stref lub pomylenia kolejności warstw. Zmiana kształtu jednej z warstw na taki, który nie pokrywa się z obecnymi strefami, również generuje dużą ilość pracy. W podejściu „ply based”, każda z warstw jest definiowana oddzielnie, może mieć swój unikalny kształt i właściwości. Kiedy chcemy ją edytować, robimy to tylko w jednym miejscu. HyperMesh samodzielnie zachowuje ciągłość warstw w poszczególnych strefach. Również dodanie kolejnej warstwy możliwe jest w jednym kroku. Wystarczy zaznaczyć elementy (lub ich zdefiniowany zestaw), na których warstwa ma zostać dodana. Edycja kolejności warstw może odbyć się w oknie przeglądarki „browser” poprzez przeciągnięcie warstwy w odpowiednie miejsce. Więcej informacji na temat definicji kompozytów znajdą Państwo w nagraniu z webinaru dotyczącym definicji i analizy kompozytów w HyperMesh i Optistruct.
Optymalizacja kompozytów w HyperMesh i OptiStruct
HyperMesh posiada szereg narzędzi, które w znacznym stopniu przyspieszają definicję kompozytów, a także ich późniejszą edycję. Główną cechą pozytywnie wpływającą na jakość pracy jest możliwość definicji kompozytów metodą „ply based”, które możemy nazwać podejściem warstwowym. W większości programów mamy do czynienia z podejściem „zone based”, gdzie definicja kompozytów odbywa się poprzez podział modelu na strefy z różnymi konfiguracjami laminatu. W HyperMesh przypadkowi modelowania kompozytów elementami typu „shell” odpowiadają dwie karty właściwości: PCOMPG oraz PCOMPP. Karta PCOMPG definiuje właściwości kompozytów modelowanych metodą bazującą na strefach, a PCOMPP do definicji w podejściu warstwowym.
Etap 1: Free Size Optimization
Free Size Optimization jest pierwszym etapem optymalizacji. Przed jego wykonaniem należy:
- mieć przygotowaną geometrię modelu,
- utworzoną siatkę,
- zdefiniowaną wstępną wersję kompozytu.
Definicja kompozytu powinna zawierać informacje na temat wszystkich możliwych do wykorzystania warstw – z uwzględnieniem typu materiału, z którego są utworzone, a także kąta położenia włókien. Zdefiniowane muszą być również pozostałe warunki brzegowe, takie jak umocowania i obciążenia. To na ich podstawie solver określi rozkład naprężeń w modelu.
Oprócz definicji samego badania musimy zdefiniować założenia dla naszego modelu. W HyperMesh możemy zdefiniować założenia produkcyjne, które ograniczą modyfikację wstępnej geometrii. Mogą to być takie parametry jak: minimalna szerokość warstwy, minimalna grubość warstwy, wymuszenie symetrii wzoru warstwy lub powtarzalności kształtu w kolejnych elementach.
Kolejnym krokiem jest definicja wymagań dla konstrukcji, określających dopuszczalne przemieszczenia w konstrukcji, masę lub współczynnik objętości początkowej itp. Istotnym parametrem jest również „Compilance Index”, który w uproszeniu możemy uznać za współczynnik określający poziom energii odkształcenia sprężystego w modelu. Dzięki jego pomocy jesteśmy w stanie określić, czy rozkład materiału w modelu dla różnych warunków obciążenia jest optymalny. Jego minimalizacja jest celem optymalizacji przeprowadzanej w pierwszym kroku.
Wynikiem pierwszego kroku optymalizacji jest propozycja kształtu poszczególnych warstw laminatu. Program w pierwszym kroku określa relatywną grubość kompozytu dla każdego elementu. Elementy, które mają znaczny wpływ na sztywność modelu, mają przypisaną większą grubość niż elementy, które tych obciążeń nie przenoszą. Końcowa grubość poszczególnych warstw nie jest jeszcze znana. W kolejnym kroku poszczególne elementy są „dzielone” na warstwy. Poszczególne warstwy mogą mieć bardzo złożone kształty, których zastosowania produkcyjne mogą być kłopotliwe. Dlatego najczęściej na potrzeby kolejnych kroków kształty warstw są upraszczane.
Etap 2: Size Optimization
Drugim etapem optymalizacji jest Size Optimization. Ten etap ma odpowiedzieć na pytanie, ile poszczególnych warstw potrzeba w laminacie. Definicja optymalizacji wygląda w sposób zbliżony do etapu pierwszego. Jako model wejściowy może nam posłużyć model uzyskany z optymalizacji Free Size Optimization lub definicja laminatu z uproszczonym kształtem warstw. Laminat ponownie powinien mieć zdefiniowane wszystkie możliwe konfiguracje:
- materiału,
- jego ułożenia,
- kształtu warstw.
Warstwy natomiast powinny mieć już zdefiniowaną domyślną grubość. Warunki brzegowe związane z obciążeniem modelu i ograniczenia produkcyjne mogą zostać zaimportowane z poprzedniego kroku. Oczywiście można też dodać kolejne ograniczenia produkcyjne, takie jak maksymalna grubość laminatu czy dopuszczalne odkształcenia.
Celem optymalizacji ponownie może być minimalizacja masy komponentu, naprężeń, odkształceń, deformacji w wybranym punkcie lub inne dane wynikowe. Tu należy zaznaczyć, że cel optymalizacji może być tylko jeden. Pozostałe parametry mogą być zdefiniowane jako ograniczenia produkcyjne. Wynikiem tego kroku jest liczba poszczególnych warstw, które powinny znaleźć się w laminacie.
Etap 3: Shuffling Optimization
Ostatnim krokiem optymalizacji jest shuffling optimization. Służy on do znalezienia optymalnego układu warstw w laminacie. Poprzedni krok optymalizacji zdefiniował ilość poszczególnych warstw, jednak ich kolejność wynikała z pierwotnej definicji laminatu. Danymi wejściowymi są wyniki analizy z poprzedniego kroku. Definiując ten krok, mamy możliwość określenia sposobu ułożenia warstw w laminacie np. brak możliwości ułożenia dwóch warstw w tym samym kierunku po kolei czy symetryczność układu. Wynikiem optymalizacji jest ostateczny układ warstw w laminacie.
Podsumowanie
Rozwiązania Altair dają wyjątkowe możliwości optymalizacji kompozytów. HyperMesh pozwala na łatwą i szybką definicję laminatów, a dzięki podejściu „ply based” bazującemu na strefach, zarządzanie laminatami i ich edycja jest jeszcze prostsze. OptiStruct umożliwia natomiast trzyetapowy proces optymalizacji, który daje możliwość doboru liczby warstw, kolejności ich ułożenia, ale także ich kształtu – co jest rzadkością wśród narzędzi tego typu. Sam proces optymalizacji może być w prosty sposób zautomatyzowany. Jeżeli interesuje Państwa ta tematyka, zachęcamy do obejrzenia webinaru, w którym dokładnie omawiamy tą tematykę: Definicja i analiza kompozytów oraz Optymalizacja kompozytów na przykładzie branży lotniczej.
