Обновления модуля Композитные материалы

В модуль Композитные материалы пакета COMSOL Multiphysics® версии 5.5 для многослойных оболочек добавлена возможность моделирования контактного взаимодействия, использования моделей высокоэластичности, пластичности, пьезоэлектрических явлений, активации, расслоения, а также реализованы новые критерии разрушения и мультифизические связи, позволяющие решать задачи о взаимодействии твердых конструкций с потоком жидкости или акустическими полями. Подробнее об обновлениях модуля Композитные материалы можно узнать ниже.

Пьезоэлектрический материал в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка)

С новой функцией моделирования пьезоэлектрического материала, добавленной в интерфейс Layered Shell (Многослойная оболочка), теперь можно моделировать тонкие пьезоэлектрические устройства и датчики, в которых пьезоэлектрический материал встроен в многослойную мембрану. Для удобной настройки моделей добавлен новый мультифизический интерфейс Piezoelectricity, Layered Shell (Пьезоэлектричество, Многослойная оболочка). Он служит для сопряжения двух физических интерфейсов Layered Shell (Многослойная оболочка) и Electric Currents in Layered Shells (Электрические токи в многослойных оболочках) с мультифизической связкой Layered Piezoelectric Effect (Пьезоэлектрический эффект в слоях). Применение этой функции показано в новой модели Пьезоэлектричество в многослойной оболочке. Обратите внимание на то, что для использования этой функции требуется модуль AC/DC или модуль MEMS в дополнение к модулям Механика конструкций и Композитные материалы.

Модель многослойной оболочки, средний слой которой состоит из пьезоэлектрического материала.
Многослойная оболочка со слоем пьезоэлектрического материала в центре. Показано осевое сжатие и смещение вне плоскости в пьезоэлектрическом слое (цветной контур) и в металлических слоях (сплошной цвет).

Модель высокоэластичных материалов в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка)

Благодаря реализации модели высокоэластичных материалов в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка), теперь можно рассчитывать значительные деформации в оболочках, слои которых выполнены из резины или других эластомеров. Обратите внимание на то, что для доступа к этой функции требуется модуль Нелинейные материалы в дополнение к модулям Механика конструкций и Композитные материалы.

Модель многослойной панели, построенная в COMSOL Multiphysics: выделен высокоэластичный слой и показаны настройки интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка).
Многослойная сэндвич-панель, внешние слои которой являются линейно-упругими (композит), а средний выделенный слой — высокоэластичным (резина).

Пластичность многослойных оболочек

С добавлением функции Plasticity (Пластичность) к узлу Linear Elastic Material (Линейный упругий материал) в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка) можно моделировать пластические деформации в выбранных слоях многослойной мембраны, например, во внешних металлических слоях сэндвич-панели. Модели пластичности строятся так же, как в интерфейсе Solid Mechanics (Механика твердого тела), но допускаются только малые пластические деформации. Обратите внимание на то, что для использования этой функции требуется модуль Нелинейные материалы в дополнение к модулям Механика конструкций и Композитные материалы.

Модель многослойной оболочки, построенная в COMSOL Multiphysics: выделен узел настройки модели пластичности.
Модель многослойной оболочки: пластические деформации моделируются в верхнем и нижнем выделенных слоях.

Активация материала в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка)

В узле Linear Elastic Material (Линейный упругий материал) интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка) появилась функция Activation (Активация). С ее помощью можно анализировать напряженно-деформированное состояние многослойной мембраны при добавлении или удалении слоев, что необходимо при моделировании таких процессов, как, например, аддитивное производство.

Модель многослойной оболочки, построенная в COMSOL Multiphysics: выделены слои, в которых используется функция активации материала.
Функция активации материала применена к двум верхним слоям многослойной оболочки.

Моделирование контактного взаимодействия с помощью интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка)

В интерфейс Layered Shell (Многослойная оболочка) добавлена функция моделирования механического контакта. Теперь можно проанализировать контакт между гранями многослойной оболочки и гранями, либо связанными с другими физическими интерфейсами механики деформируемого твердого тела, либо просто описанными расчетной сеткой без привязки к физическому интерфейсу. При этом допускается отсутствие трения в зоне контакта.

Модель многослойной мембраны: сверху показана цилиндрическая сетка и красно-желто-зеленая шкала распределения напряжений.
Распределение напряжений в разных слоях многослойной мембраны при моделировании механического контакта с цилиндрической поверхностью.

Моделирование расслоения с помощью интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка)

Обычно повреждение многослойных композитных материалов происходит из-за разрушения связи на границе между слоями. Теперь можно моделировать увеличивающееся расслоение с помощью новой функции Delamination (Расслоение) в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка). Доступно несколько различных моделей когезионной прочности, построенных на основе анализа перемещений и энергии. Эти модели позволяют описать разрушение с учетом разных законов разрыва связи между слоями. Если скрепляющая связь между слоями отсутствует изначально, либо нарушается в результате приложения нагрузки, условие контакта сохраняется, благодаря чему слои не проникают друг в друга. Эта функция используется в моделях Расслоение многослойной мембраны под нагрузкой смешанного типа и Прогрессирующее расслоение многослойной оболочки.

Результаты моделирования многослойной мембраны, подверженной расслоению, представленные в виде трехмерных и одномерных графиков.
Многослойная мембрана, подверженная межслоевому разрушению (или расслоению) под нагрузкой сжатия. Поврежденная зона выделена красным для разных значений нагрузки. Для сравнения показана приложенная нагрузка и общая площадь повреждения в многослойной мембране.

Новые критерии разрушения для многослойных оболочек

С помощью функции Safety (Критерии безопасности) можно оценить конструкционную целостность по различным критериям разрушения. Для волоконных композитных материалов в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка) и узле Layered Linear Elastic Material (Многослойный линейный упругий материал) интерфейса Shell (Оболочка) добавлен набор новых критериев разрушения:

  • Зиновьева
  • Хашина — Ротема
  • Хашина
  • Пака
  • LaRC03

Новые мультифизические связи для интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка)

Интерфейс Layered Shell (Многослойная оболочка) получил новые мультифизические связки для моделирования взаимодействия с потоком жидкости и с акустическими полями. Теперь можно выполнять точное моделирование многослойных мембран, взаимодействующих с жидкими областями в различных вариантах взаимосвязи Fluid-Structure Interaction (Взаимодействие жидкости и твердого тела). При наличии модуля Акустика можно использовать следующие мультифизические связки: Acoustics-Structure Boundary (Поверхность взаимодействия твердого тела с акустическим полем), Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary (Поверхность взаимодействия твердого тела с термовязкостным акустическим полем), Aeroacoustics-Structure Boundary (Поверхность взаимодействия твердого тела с аэроакустическим полем) и Porous-Structure Boundary (Поверхность взаимодействия твердого тела с пористой средой).

Модель многослойной оболочки, поверхности которой связаны с окружающими акустическими областями.
Пример взаимодействия многослойной оболочки с акустическим полем, при котором верхняя и нижняя поверхности мембраны связаны с окружающими акустическими областями.

Новые связки интерфейса Layered Shell (Многослойная оболочка) с другими интерфейсами механики

В реальных конструкциях многослойные мембраны часто соединяются в разных конфигурациях с твердыми телами или однослойными оболочками. В интерфейс Layered Shell (Многослойная оболочка) добавлены две новые связки: Layered Shell - Structure Cladding (Многослойная оболочка — обшивка) и Layered Shell - Structure Transition (Многослойная оболочка — соединение с конструкцией). Использование этой функции показано в модели Соединение многослойных оболочек с твердыми телами и однослойными оболочками.

Модель для анализа распределения напряжений в многослойной оболочке, связанной с элементами твердого тела и оболочки, в виде цветных и каркасных графиков.
Многослойная оболочка, соединенная с твердотельными элементами и с однослойными оболочками. На графике построено распределение напряжений в многослойной оболочке (показано сплошным цветом), в твердом теле и однослойных оболочках (показано цветным контуром).

Узел Layered Linear Elastic Material (Многослойный линейный упругий материал) в интерфейсах Shell (Оболочка) и Membrane (Мембрана)

Узел Layered Linear Elastic Material (Многослойный линейный упругий материал) теперь более эффективно используется с оболочками и мембранами. Эта модель материала добавлена в интерфейс Membrane (Мембрана) и используется для моделирования очень тонких мембран, обладающих низким сопротивлением изгибу. Кроме того, ее можно использовать и в интерфейсе Shell (Оболочка) в двумерной осесимметричной геометрии (ранее она была доступна только для трехмерной геометрии).

В версии 5.5 модели однослойных оболочек и мембран доступны при наличии модуля Механика конструкций, а при его совместном использовании с модулем Композитные материалы можно также моделировать многослойные оболочки и мембраны, в которых для каждого слоя можно включить учет эффектов теплового расширения и вязкоупругости. При наличии модуля Нелинейные материалы доступны также нелинейные материальные модели, например, модели пластичности и текучести.

Смешанная формулировка для многослойных оболочек

Если при моделировании практически несжимаемых материалов в качестве степеней свободы используются только перемещения, то в этом случае могут возникать проблемы в численных алгоритмах. Во избежание этих сложностей в интерфейс Layered Shell (Многослойная оболочка) добавлены формулировки, использующие в качестве степеней свободы давление и напряжения.

Модель многослойной оболочки в COMSOL Multiphysics: показан окно выбора смешанных формулировок.
Выбор смешанной формулировки для модели многослойной оболочки.

Переменная толщина слоев в многослойных оболочках

Теперь можно моделировать один или несколько слоев многослойной мембраны, толщина которой зависит от ее координат. Эта новая функция реализуется с помощью параметра Scale (Масштаб) в узлах Layered Material Link (Ссылка на многослойный материал) и Layered Material Stack (Набор слоев многослойного материала). Слои переменной толщины поддерживаются в интерфейсах Layered Shell (Многослойная оболочка), а также в узле Layered Linear Elastic Material (Многослойный линейный упругий материал) в интерфейсах Shell (Оболочка) и Membrane (Мембрана).

Модель многослойной сэндвич-панель в COMSOL Multiphysics: средний слой имеет переменную толщину.
Многослойная сэндвич-панель, средний слой которой имеет переменную толщину (выделен малиновым).

Опция Transform (Преобразование) в узлах многослойных материалов

Теперь при создании последовательности слоев мембраны можно выполнять различные операции преобразования. Новая опция Transform (Преобразование) доступна в узлах Layered Material Link (Ссылка на многослойный материал) и Layered Material Stack (Набор слоев многослойного материала). Предусмотрены следующие типы преобразования: Symmetric (Симметричное), Antisymmetric (Зеркально-симметричное) и Repeated (Повторяющееся). Это упрощает процесс моделирования сложных последовательностей слоев: для симметричных и зеркально-симметричных мембран можно задать только половину последовательности слоев, а для повторяющихся — только одну.

Эта функция используется в следующих моделях:

Модель зеркально-симметричной мембраны в COMSOL Multiphysics: показаны настройки узла Layered Material Link (Ссылка на многослойный материал).
Описание свойств зеркально-симметричной мембраны с помощью новой функции Layered Material Link (Ссылка на многослойный материал).

Новые способы выбора границ раздела

В узлах физических интерфейсов, в настройках которых доступен параметр Interface Selection (Выбор границы раздела), теперь можно непосредственно выбрать границы раздела общего вида: верх, низ, внешняя область, внутренняя область или все. Благодаря этому настройка модели становится удобнее и проще для понимания. В интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка) такими узлами являются: Face load (Поверхностная нагрузка), Delamination (Расслоение) и Thin Elastic Layer (Тонкий упругий слой).

Применение этой функции показано в следующих моделях:

Для быстрого задания нагрузки на поверхности одной из границ раздела многослойной оболочки в COMSOL Multiphysics используется функция Interface Selection (Выбор границы раздела).
Опции выбора границы раздела, на которой задается условие Face Load (Поверхностная нагрузка).

Визуализация трехмерной геометрической модели твердого тела

При моделировании сложных мембранных конструкций может быть полезно визуализировать соответствующую трехмерную геометрию твердого тела, которая не отображается автоматически в новом стандартном графике, используемом в интерфейсе Layered Shell (Многослойная оболочка). Серый график построен на основе набора данных Layered Material (Undeformed Geometry) (Многослойный материал — недеформированная геометрия).

Модель многослойной мембраны из композитного материала, построенная в COMSOL Multiphysics: в графическом окне показана трехмерная геометрическая модель.
Трехмерная геометрическая модель твердотельной шестислойной мембраны из композитного материала (отмасштабированная по толщине).

Визуализация укладки волокон

При создании модели многослойного материала последовательность слоев можно визуализировать с помощью графиков предварительного просмотра, создаваемых на основе абстрактной геометрии. Однако зачастую требуется визуализировать укладку волокон в геометрической модели. В версии 5.5 появилась новая функция создания стандартных графиков для визуализации направления укладки волокон в каждом слое геометрической модели. Данная функция доступна при использовании интерфейсов Layered Shell (Многослойная оболочка) или Shell (Оболочка).

Модель многослойного цилиндр, построенная в COMSOL Multiphysics: для каждого слоя показано направление укладки волокон.
Направление первого, основного материала определяет направление укладки волокон в каждом слое многослойного цилиндра.

Усовершенствования набора данных Layered Material (Многослойный материал)

Набор данных Layered Material (Многослойный материал) используется для построения графиков и оценки результатов моделирования многослойных оболочек. Набор данных предоставляет возможность выбора слоев и границ раздела для анализа. Это упрощает процесс обработки результатов моделирования многослойной мембраны — ранее можно было выбрать только границы. Кроме того, можно выбрать местоположение поперечного сечения слоя при использовании узла Derived Values (Производные значения). Использование этой функции показано в новой модели Соединение многослойных оболочек с твердыми телами и оболочками.

Структура многослойной оболочки и эталонное твердое тело моделируются в COMSOL Multiphysics: показаны распределение напряжения по поверхности и настройки набора данных Layered Material (Многослойный материал).
Опция для выбора слоев в наборе данных Layered Material (Многослойный материал) для построения графика величин только в выбранных слоях.

Усовершенствования в графике Layered Material Slice (Сечение многослойного материала)

При работе с графиком Layered Material Slice (Сечение многослойного материала) теперь можно создать несколько сечений автоматически. Кроме того, добавлены следующие новые функции:

  • Построение графиков на границах раздела (ранее можно было строить графики только на слоях)
  • Построение графиков на нескольких слоях с помощью срединных плоскостей или аналогичных опций
  • Создание компоновки при использовании нескольких сечений
  • Добавление имен слоя к каждому сечению

График Layered Material Slice (Сечение многослойного материала) очень важен для анализа многослойных мембран, а с новыми функциями упрощаются шаги, требуемые для построения графика по результатам расчета.

Модель многослойного цилиндра: показано распределение напряжений в сечении каждого слоя.
Опция для выбора срединных плоскостей слоя и определения компоновки графика Layered Material Slice (Сечение многослойного материала) для анализа величин в нескольких слоях с помощью одного узла графика.

Использование этих функций продемонстрировано в следующих моделях:

Улучшенный график Through Thickness (Сечение слоя)

Для многослойной мембраны с большим количеством слоев добавлены линии границ раздела для повышения четкости графика Through Thickness (Сечение слоя). В версии 5.5 можно добавлять эти линии границ раздела автоматически. Кроме того, теперь можно построить график изменения значения какой-либо величины в сечении слоя, которая определяется только на подмножестве слоев мембраны.

Применение этой функции показано в следующих моделях:

Новые учебные модели и приложения

В версии 5.5 добавлено несколько новых учебных моделей и приложений.

Прогрессирующее расслоение многослойной оболочки

Для многослойной мембраны, подверженной расслоению под нагрузкой сжатия, показаны четыре значения нагружения: красным выделены зоны повреждения.
Многослойная мембрана, подверженная межслоевому разрушению (или расслоению) под нагрузкой сжатия. Поврежденная зона выделена красным для разных значений нагрузки. Для сравнения показана приложенная нагрузка и общая площадь повреждения в многослойной мембране.

Название в Библиотеке приложений:
progressive_delamination_in_a_laminated_shell
[Загрузить из Галереи приложений] (/model/78271)

Расслоение многослойной мембраны под нагрузкой смешанного типа

Для многослойной мембраны, подверженной расслоению под нагрузкой смешанного типа, показаны четыре вида смещения: красным выделена зона повреждения.
Многослойная мембрана, подверженная межслоевому разрушению (или расслоению) под нагрузкой смешанного типа. Зона повреждения для разных отрывных смещений показана красным. Построена также кривая нагрузки и смещения для сравнения модели мембраны с моделью эквивалентного твердого тела.

Название в Библиотеке приложений:
mixed_mode_delamination
Загрузить из Галереи приложений

Анализ напряжений и модальный анализ диска из композитного материала

Модель композитного диска. Желтым и синим цветами показано распределение напряжений.
Модель автомобильного диска из углеродно-эпоксидного композитного материала с разным количеством слоев в диске и спицах. В области результатов показано распределение напряжений в диске для заданных давления в шинах и нагрузки на них.

Название в Библиотеке приложений:
composite_wheel_rim
Загрузить из Галереи приложений

Пьезоэлектричество в многослойной оболочке

Модель многослойной оболочки: показано осевое сжатие и смещение вне плоскости в пьезоэлектрическом слое.
Многослойная оболочка со слоем пьезоэлектрического материала в центре. Показано осевое сжатие и смещение вне плоскости в пьезоэлектрическом слое (цветной контур) и в металлических слоях (сплошной цвет).

Название в Библиотеке приложений:
piezoelectric_layered
Загрузить из Галереи приложений

Соединение многослойных оболочек с твердыми телами и однослойными оболочками

Многослойная оболочка соединена с элементами твердого тела и однослойными оболочками: показано распределение напряжений.
Модель многослойной оболочки, соединенной с твердыми телами и однослойными оболочками. На графике построено распределение напряжений в многослойной оболочке (показано сплошным цветом), а также в твердом теле и однослойных оболочках (показано цветным контуром).

Название в Библиотеке приложений:
layered_shell_structure_connection
Загрузить из Галереи приложений