借助复合材料模块分析多层结构

利用复合材料结构建模,改进产品设计

复合材料是由两种或两种以上综合成分组成以增强结构性能的非均质材料。与传统材料相比,复合材料具有重量轻、强度高等特点,在众多领域具有广泛的潜在应用。工业界目前正在进行大量的研发工作,希望将传感、驱动、计算和通信等功能嵌入复合材料,以制造出智能型复合材料。只有全面了解这种材料的性能,才能设计出最准确可靠的复合材料结构。

用于分析层状复合材料的专业软件

“复合材料模块”是结构力学模块的附加模块,提供了专门用于分析多层复合结构的建模工具和功能。常见的层状复合材料包括纤维增强塑料、层合板和夹层板等,这些复合材料广泛应用于制造飞机部件、航天器部件、风力发电机叶片、汽车零部件、建筑物、船体、自行车以及安全设备。“复合材料模块”基于专业的多层材料技术,提供了分层理论等效单层理论 这两种方法来准确模拟复合材料壳。

此外,您还可以将“复合材料模块”与 COMSOL® 产品库中的其他模块结合使用,以扩展对复合材料结构的多物理场分析,可包含传热、电磁学和流体流动效应——实现在同一个仿真环境中执行所有仿真分析。

复合材料模块支持的建模功能

“结构力学模块”提供多个预定义的物理场接口,其中包含许多专用设置,方便用户更轻松地设置和运行各种分析。“复合材料模块”包含用于复合材料层合板仿真的附加接口和材料模型,供用户根据层理论和分析类型选用。除了常规的结构分析外(例如稳态分析、特征频率分析、瞬态分析、线性屈曲分析等),软件还支持执行首层失效分析和多尺度建模。由于复合材料层合板是工程材料,具有多种不同的失效模式,因此在工程上,需要对复合材料层合板执行各种失效分析。

除此之外,结合优化模块还可以优化复合材料的几何尺寸、复合材料铺层、层片厚度、纤维方向和材料属性等。

请阅读下文,详细了解“复合材料模块”的相关功能。

基于分层理论,多层壳 接口支持对三维复合材料层合板的详细分析。边界条件既可以施加在各单层上,也可以放置在层之间的各个界面上,各单层可以采用非线性材料。对于参考表面和全厚度方向上的位移场,这个接口还支持选择形函数阶次。分析结果包含全三维应力和应变分布,方便您计算层间应力并研究每个铺层内的应力变化。

此接口适用于分析层数有限、较厚到中等厚度的复合壳。

简支复合材料层合板模型。 受弯曲作用的简支三层复合材料层合板中的应力。

接口中可以调用“复合材料模块”中自带的多层线弹性材料模型,该模型基于一阶剪切变形理论,是一种等效单层理论,将所有层聚集成等效材料。分析结果包含全三维应力和应变分布,可以帮助您研究每个铺层内的应力变化等。

这种材料模型适用于较薄到中等厚度的壳,可以包含许多层,层数不会对性能产生显著影响。

风力发电机复合材料叶片模型。 风力发电机复合材料叶片中的应力,叶片芯材为厚 PVC 泡沫,每侧由多层玻璃纤维复合材料包围,其外部采用碳纤维包覆。

复合材料层合板的分析相对而言比较困难,这是因为其中涉及不同的几何尺度。在两种不同尺度上执行的分析分别称为微观力学分析和宏观力学分析。

铺层通常由纤维和基体材料组成,其均质属性取决于各成分的属性以及各成分混合的体积分数。细观力学分析主要用于模拟各个铺层或其代表单元(含纤维和基体材料),目的是计算铺层的均质材料属性。

纤维复合材料的细观力学模型。 纤维体积分数为 20% 的纤维复合材料的代表单元。该模型用于确定等效平均各向异性材料。

您可以基于任一层合板理论来执行首层失效分析,此外,还可以根据以下准则计算失效指数或安全系数:

  • von Mises 各向同性
  • Tresca 各向同性
  • Rankine 各向同性
  • St. Venant 各向同性
  • Jenkins 正交各向异性
  • Waddoups 正交各向异性
  • Tsai-Hill 正交各向异性
  • Hoffman 正交各向异性
  • Tsai-Wu 正交各向异性
  • Tsai-Wu 各向异性

除此之外,等效单层理论还支持以下失效准则:

  • Azzi-Tasi-Hill 正交各向异性
  • Norris 正交各向异性
  • 修正 Tsai-Hill 正交各向异性
复合材料层合板失效预测。 根据 Hoffman 准则得到的单轴加载层合板安全系数。铺层主方向如插图所示。

复合材料层合板的屈曲是一种常见现象,因此这也是设计时考虑的一个重要标志。对于复合材料层合板的设计来说,是否能够承受压缩或扭转屈曲载荷至关重要。在 COMSOL Multiphysics® 软件中,您可以基于任何一种层合板理论来计算复合材料层合板的临界屈曲载荷因子。

不同纤维方向的复合材料层合板的屈曲模态。 铺层中具有不同纤维方向选择的同一复合材料层合板的屈曲模态。

复合材料层合板由许多粘合或层叠在一起的层组成。在不同的载荷条件(尤其是冲击载荷)下,两层之间的胶合可能在特定区域发生断裂。因此,要准确预测受损复合材料层合板的响应,对分层区域建模就变得至关重要。

您可以使用 COMSOL Multiphysics® 中基于分层理论的多层壳 接口来实现这一操作,其中,弹性薄层,界面 节点可用于模拟复合材料层合板各个层之间的分层区域。

含与不含分层的复合材料层合板中的阻抗。 复合材料层合板在不同频率下的阻抗。图中比较了含与不含脱层区域的层合板分析结果(如插图所示)。

此模块与非线性材料模块结合使用时,其中的多层壳 接口可以在层状复合材料中加入非线性材料模型。此外,您还可以在复合材料层合板的各个层中添加不同的非线性材料模型。

此模块与多体动力学模块结合使用时,通过多层壳 接口或 接口的多层线弹性材料 节点模拟的复合材料层合板可与多体系统中的其他结构部件进行耦合。

利用多物理场耦合,扩展复合材料分析

在通常情况下,在设计复合材料层合板时工程上主要考虑的是结构分析。然而,在一些特殊情况下,还必须考虑其他物理效应的影响。在层合板结构与其他物理过程发生相互作用时有两种完全不同的方式:发生在层合板层内的相互作用以及层合板作为边界时发生的相互作用。

与电磁-热效应耦合

热和电效应通常是发生在层合板内非常显著一种物理效应,在层合板设计过程中,精确的分析此耦合效应非常重要。借助多层材料技术,用户不仅可以在同一多层材料中使用不同的物理场接口,还能同时求解所有物理现象,以及不同物理场之间的耦合作用。从结构设计的角度来看,两种层合板理论都可以与复合材料层合板的热电耦合模拟相结合,分析如复合材料层合板的焦耳热和热膨胀等问题。

使用多物理场耦合功能来分析电磁-热效应时,需要用到传热模块AC/DC 模块

与流体、声学分析耦合

在其他一些物理过程中,层合板常常用作域边界,而域内往往发生一些重要的物理过程,如流体流动等。这种情况下,用户可以通过 接口中基于等效单层理论的多层线弹性材料,通过流-固耦合 多物理场耦合节点将复合材料层合板与周围流体进行耦合。与 CFD 模块相结合,可以利用此功能分析层流和湍流。

同样,您也可以将此模块与声学模块相结合,通过声-结构边界 多物理场耦合节点将复合材料层合板与周围声学域进行耦合,实现振动声学问题建模。

复合材料层合板中的热膨胀。 六层复合材料中由加热引起的有效应力分布。

层合板定义和可视化专用工具

复合材料层合板由多个层组成,并且各单层的材料、纤维方向、厚度等属性各不相同。“复合材料模块”提供一组专用的工具,不仅可以直观地显示铺层,还能方便地提供相关信息。此外,由于复合材料层合板本质上具有各向异性,并且在全厚度方向通常是非均质的,因此仅在参考表面计算结果往往是不够的。您需要计算每一层以及全厚度方向的结果。

多层材料特征

多层材料 节点可用于定义铺层,其中每一层都具有自己的材料数据、厚度和主方向。以这种方式定义的多层材料可以通过多层材料堆叠 节点进行组合,用于创建更复杂的多层材料,当铺层重复或是对削层建模时,这种做法非常方便。此外,您还可以为层间界面定义材料属性。

层预览图

该模块提供两种预览图用于将复合材料铺层的输入数据可视化:层堆叠预览横截面层预览层堆叠预览 图描绘层数以及每层中的主纤维方向。横截面层预览 图显示每层的厚度以及参考平面的位置。

多层材料连接

当以并行结构连接两个不同的层合板或者模拟削层情况时,可以将多层壳 接口中的多层材料堆叠 节点与连续性 节点结合使用。两个层合板的连接区域可以通过不同的选项来控制。您可以使用连续性 节点中的横截面层预览 绘图将这两个层合板的连接层可视化。

多层材料数据集

即使将复合材料层合板作为表面(二维)几何元素建模,您也可以使用多层材料 数据集在有限厚度的几何结构上将结果可视化。此外,您还可以沿厚度方向缩放几何结构,以薄层合板的形式获取更佳的显示效果。利用此数据集,您可以将结果绘制成三维几何结构中的表面或切面。

多层材料切面图

多层材料切面 绘图能为您在复合材料层合板中创建切面提供更大的自由度,该绘图适用于以下情况:

  • 创建仅穿过一个或几个选定层的切面
  • 创建穿过一些或所有层的切面,但这些层不一定置于全厚度方向
  • 详细检查特定层,并在该层内非中面的特定位置创建切面

全厚度图

您可以利用全厚度 图将边界上特定位置的任意物理量在层合板厚度方向的变化情况进行可视化。您可以在该边界上选择一个或多个几何点,也可以创建截点数据集,还可以直接指定点坐标。与其他曲线图不同的是,该绘图的结果物理量绘制在 x 轴上,而厚度坐标绘制在 y 轴上。

多层材料的铺层及其层堆叠预览图。 多层材料的铺层和层堆叠预览图,其中显示每层的主纤维方向。

多层材料的横截面和参考平面位置。 由五个子层合板组成的层合板的横截面。图中显示每层厚度和参考平面位置。
两种多层材料之间的连接。 两种并排多层材料之间的连接,图中描绘了削层结构。


使用多层材料数据集为较厚三层层合板生成的不同类型的可视化效果。 使用多层材料数据集为较厚三层层合板生成的不同类型的可视化效果。

复合材料层合板所有层中的应力。 图中的管设计为五层复合材料层合板,显示了管的所有层中的应力。
显示横向剪切应力的全厚度图。

三层层合板中的横向剪切应力,图中将多层壳 接口中的计算结果与精确的三维解进行比较。

下一步:
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