复合材料模块

分析复合结构,改进产品设计

复合材料是由两种或两种以上的成分优化组合而成的非均质材料,以获得更优秀的结构性能。“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,此类多层复合材料(例如,纤维增强塑料、层压板和夹层板)广泛应用于制造飞机部件、航天器零部件、风力发电机叶片、汽车零部件、建筑物、船体、自行车和安全设备等。

不仅如此,当您将“复合材料模块”与 COMSOL 产品库中的其他模块组合使用时,还可以在同一个软件界面内对模型进一步扩展,考虑传热、电磁、流体流动、声学和压电等效应。

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三个风力发电机叶片,图中显示蒙皮的应力(左)、翼梁的应力(中)以及壳局部坐标系(右)。

层合板理论:层合板的定义和可视化

层压复合材料壳的分析通常基于三维弹性理论或等效单层(ESL)理论。

“复合材料模块”利用专门的多层材料技术,并提供以下两种方法来准确模拟复合材料壳:分层理论等效单层理论。分层法适用于层数有限的中等厚度及以上的复合材料壳。等效单层理论适用于中等厚度及以下的壳,可以容纳许多层,而不会对性能产生显著影响。借助这些理论,您可以通过执行多尺度、多物理场和各种失效分析来优化层合板的铺层和其他参数。

复合材料模块支持的建模对象

使用 COMSOL® 软件对复合材料层合板执行各种结构分析。

带有纤维和树脂的基本单元模型的特写视图。

细观力学/宏观力学

计算复合材料层合板的均质材料属性和宏观响应。

层合壳模型的特写视图,其中显示 Hoffman 安全系数。

首层失效

评估层压复合材料壳的结构完整性。

复合材料气瓶的屈曲模态的特写视图。

线性屈曲

计算一端固定,另一端压缩载荷条件下的临界载荷因子。

层合壳的不同力值的特写视图。

脱层

模拟复合板开始脱层和传播的过程。

金属壁框架模型的应力和位移。

非线性材料1

将非线性材料模型与多层复合材料进行耦合建模。

复合材料轮辋模型的特写视图,其中显示应力。

多体动力学2

将复合材料层合板与多体系统中的其他结构元件相耦合。

层压复合材料模型的特写视图,其中显示初始铺层和优化的铺层。

复合材料优化3

优化复合材料铺层、铺层厚度、纤维方向和材料属性。

  1. 还需要“非线性结构材料模块”
  2. 还需要“多体动力学模块”
  3. 还需要“优化模块”

层合板定义和可视化专用工具

“复合材料模块”提供一组专门的工具,用于将多个层组成的复合材料层合板进行可视化。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“多层壳”节点;“图形”窗口中显示复合板模型。

分层法/多层壳接口

三维模式支持的多层壳 接口提供一种基于分层理论的方法,用于详细分析复合材料层合板。各单层可以采用非线性材料。该接口还支持参考表面和全厚度方向上的位移场具有不同的形函数阶次。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薄层内的应力变化。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“多层线弹性材料”节点,并显示两个“图形”窗口。

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。

“设置”窗口中的“层选择”栏和两个“图形”窗口的特写视图。

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 图将这两个层合板的连接层可视化。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“多层材料切面”节点,“图形”窗口中显示复合材料气瓶。

多层材料切面图

多层材料切面 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。如果您只通过一个或多个选定的层创建切面,或通过一些或所有层创建切面,但不一定将它们放置在全厚度方向,则该绘图非常有用。此外,当您详细检查特定层并在该层中非中面的特定位置创建切面时,也可以使用这种绘图。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“多层线弹性材料”节点;“图形”窗口中显示风力发电机模型。

等效单层法/壳接口

接口通过多层线弹性材料 这一材料模型得到了增强,仅在中面求解就可以计算整个层合板的均质材料属性。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薄层内的应力变化等现象。

“多层材料”节点设置的特写视图,“图形”窗口中显示层合壳模型。

层预览图

提供以下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。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“多层材料”节点;“图形”窗口中显示复合材料层合板。

多层材料数据集

多层材料 数据集用于显示具有有限厚度的几何的仿真结果。您可以利用此数据集来增加或减少法向上的层合板厚度,这对于薄层合板的可视化非常有用。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。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“全厚度”节点;“图形”窗口中显示一维绘图。

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。

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通过多物理场耦合扩展分析

层合板与其他过程之间的耦合机制存在两种根本不同的相互作用类型。对于层合板内部发生的物理过程,您可以同时求解所有物理现象,包括它们之间的耦合。而在其他物理过程中,层合板则用作三维域的边界,其中往往会发生一些重要的物理现象。以下多物理场耦合可用于内置的耦合:

  • 传热1
  • 电流2
  • 压电2
  • 多孔弹性3
  • 声学-复合材料相互作用4
  • 流体-复合材料相互作用5
六层复合材料的特写视图,其中显示应力。

传热和电流

使用多层材料技术模拟复合材料层合板内的焦耳热和热膨胀。

多层壳模型的特写视图,其中显示压电层和金属层。

压电

在复合材料层合板模型中嵌入压电材料接口,以模拟薄压电器件和传感器。

显示压力的压缩驱动器模型。

声学-复合材料相互作用

通过将复合材料层合板模型与周围的声学域进行耦合,对振动声学进行建模。

矩形模型的特写视图,其中显示速度大小。

流体-复合材料相互作用

结合多层线弹性材料来模拟复合材料层合板与流体域的相互作用。

  1. 需要“传热模块”
  2. 需要“AC/DC 模块”或“MEMS 模块”
  3. 需要“多孔介质模块”
  4. 需要“声学模块”
  5. 对于湍流,需要“CFD 模块”

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