Metodyki w projektowaniu struktur kompozytów polimerowo-włóknistych z wykorzystaniem programu Fibersim – część pierwsza

Postęp technologiczny zmusza dziś konstruktorów do tworzenia coraz lżejszych, a zarazem wytrzymalszych konstrukcji. Z tego powodu coraz częściej wykorzystuje się materiały kompozytowe. Stanowią one liczną grupę, spośród której wyróżnia się kompozyty włókniste, składające się z różnego rodzaju osnów oraz wzmocnienia w postaci wysokowytrzymałych włókien. Szczególnym rodzajem są kompozyty włókniste wykorzystujące osnowę polimerową. Popularyzacja nowego typu materiału pociąga za sobą również nowe wymagania stawiane m.in. programom CAD związane z efektywnym projektowaniem struktur kompozytowych. 

Z powyższych powodów w ofercie firmy CAMdivision znajduje się specjalistyczny dodatek – FibersimTM – rozszerzający programy NXTM, CATIA V5, czy Creo o możliwość definiowania warstw laminatu niezbędnych do spełnienia wymagań stawianych danej części. Ponadto spełnia on funkcję łączącą projektowanie z wytwarzaniem poprzez rozbudowane funkcje symulujące zachowanie tkaniny podczas układania jej w formie, co pozwala na wychwycenie problemów przy wytwarzaniu już na etapie projektu. W połączeniu z dokumentacją technologiczną stworzoną w FibersimTM umożliwia to dostarczenie pełnej informacji na temat sposobu wykonania danego detalu. W niniejszym wpisie zostanie zaprezentowany wycinek możliwości dodatku FibersimTM, skupiający się na funkcjach zwiększających efektywność projektowania i zmian struktury kompozytu włóknistego. 

Metodyki w projektowaniu

Proces projektowania struktury materiału kompozytowego sprowadza się do dwóch najważniejszych kwestii. Po pierwsze układ warstw musi pozwalać na ich poprawne ułożenie w narzędziu. W przypadku złożonych geometrycznie kształtów w trakcie wytwarzania można napotkać zjawiska falowania lub mostkowania tkaniny. Za pomocą symulacji dostarczanej przez dodatek FibersimTM projektant jest w stanie wprowadzić należyte zmiany, takie jak podział warstw, nacięcia lub wycięcia, tak aby uniknąć wspomnianych efektów w trakcie produkcji. Ten aspekt ściśle związany jest z przewidywaniem zachowania półproduktu (najczęściej tkaniny) w trakcie formowania. Drugim aspektem projektowania, z którym ma się do czynienia na wcześniejszych etapach, niezwiązanym z wytwarzaniem, jest projektowanie struktury pod kątem spełnienia wymogów związanych z wytrzymałością mechaniczną danego wyrobu, jego sztywnością, czy ostatecznie z masą. Co więcej, projekt często jest współdzielony przez różnych specjalistów, czy to od konstrukcji, wytwarzania, czy też analiz. Dlatego metodyczne podejście w procesie jest bardzo istotne, aby tworzenie nowych elementów oraz wprowadzanie zmian było możliwie jak najszybsze. Z tego powodu FibersimTM oferuje trzy metodyki pracy: Ply Based Design, Zone Based Design, i Multi-Ply Design.

Rysunek 1: Przykładowa część mająca zostać wykonana z kompozytu polimerowo-włóknistego

Zalety każdej z dostępnych metodyk zostaną pokazane na przykładzie części motoryzacyjnej, wchodzącej w skład struktury nośnej nadwozia. Strukturę warstw definiuje się na wyodrębnionej powierzchni wewnętrznej formy, wraz z zaznaczonymi liniami granicami detalu przed ostatecznym docięciem oraz po nim (EXTENDED BOUNDARY oraz NET BOUNDARY). Pozwala to na równoczesne tworzenie struktury z myślą o wytwarzaniu – tak jak ma wyglądać w formie – oraz ostatecznego wyrobu – na przykład dla obliczeń wytrzymałościowych.

Rysunek 2: Przykładowa część z przygotowaną powierzchnią roboczą

Rysunek 3: Powierzchnia robocza wraz z przygotowanymi krzywymi granicznymi

Ply Based Design

Pierwszą, podstawową metodyką, jest Ply Based Design, czyli projektowanie oparte na warstwach. Zakłada ona, że warstwy są elementami niezależnymi od siebie. Definiowanie każdej z nich polega na wskazaniu materiału, orientacji, granicy i punktu początkowego (ręcznym, bądź automatycznym). Sprawdza się wobec elementów prostych strukturalnie, składających się z laminatu o stałej grubości, w których podział na poszczególne rozkroje zależy głównie od stopnia skomplikowania geometrycznego. W celu osiągnięcia jak najniższej masy części, przy jej jak najwyższej wytrzymałości, stosuje się warstwy wzmacniające. Układa się je w regionach najbardziej wytężonych, przez to pogrubienie znajduje się wyłącznie w krytycznych miejscach, co zaoszczędza masę i koszt półproduktów, a w konsekwencji prowadzi do globalnej homogenizacji naprężeń. Jednak taki układ warstw powoduje lokalną koncentrację naprężeń i zginanie ukośne w miejscach łączenia dwóch regionów, co w konsekwencji może prowadzić do delaminacji. Dlatego istotne jest, aby zminimalizować to negatywne oddziaływanie poprzez stopniową zmianę grubości laminatu. Z racji tego, że w metodyce Ply Based Design wszystkie warstwy są niezależne od siebie, użytkownik zmuszony jest do indywidualnego wydłużania każdej z nich, w celu uzyskania płynnego przejścia. Z uwagi na złożoność struktur międzystrefowych i specyficzne dla nich wymagania pod względem projektowania, dodatek FibersimTM oferuje metodykę Zone Based Design, czyli modelowanie strefowe.  

Rysunek 4: Przykładowe warstwy stworzone przy pomocy metodyki Ply Based Design

Zone Based Design

Metoda ta zakłada podział całej powierzchni formy na skończoną liczbę stref o stałych grubościach. Do każdej z nich przypisana jest specyfikacja materiałowa, zawierająca w sobie informację o materiale i orientacji poszczególnych warstw, a także granica. Podstawową zaletą tej metodyki jest możliwość tworzenia i edycji regionów przejścia pomiędzy strefami z poziomu strefy. Nie jest konieczne tworzenie osobnej granicy dla każdej z warstw. Program automatycznie rozpoznaje miejsce, w którym laminat zmienia swoją grubość i automatycznie wydłuża poszczególne warstwy tak, aby tworzyły płynny spadek.  

Rysunek 5: Strefy utworzone przy pomocy Zone Based Design

Rysunek 6: Region przejścia pomiędzy strefami

Rysunek 7: Przekrój przez region przejścia pomiędzy strefami

Na rysunku 5 zostały pokazane dwie strefy: ZONE002 – posiadająca dwie warstwy i ZONE003 – składająca się z sześciu warstw. Program automatycznie wydłużył cztery ostatnie warstwy strefy ZONE003, tworząc przejście bez uskoku (Rysunek 6 i 7). Ponadto dwie pierwsze warstwy, występujące zarówno w jednej, jak i drugiej strefie, zostały połączone, tworząc dwie pełne warstwy. Użytkownik ma do dyspozycji szereg parametrów, którymi może decydować o końcowej konfiguracji przejścia; czy ma przebiegać ono w sposób równomierny, czy zmienny; w jakiej odległości mają się znajdować granice sąsiadujących ze sobą warstw, a także czy i w jaki sposób mają zostać przycięte. Te wszystkie informacje są gromadzone wewnątrz programu FibersimTM, co sprawia, że każda zmiana w projekcie struktury kompozytowej będzie skutkowała ponownym zbudowaniem warstw, uwzględniającym nową specyfikację materiałową oraz wcześniej zdefiniowane parametry. Jest to oszczędność, która zmniejsza nakład pracy niezbędny przy tworzeniu każdej nowej części.

Rysunek 8: Nakładające się regiony przejściowe

Multi-Ply Design

Metodyka Zone Based Design zakłada, że tworzone strefy muszą pokrywać całą powierzchnię formy, bez żadnych pustych miejsc, a dodatkowo nie mogą się one nakładać na siebie. Tworząc detal, który będzie składał się z warstw globalnych, a tylko miejscowo będzie wzmocniony dodatkowymi warstwami laminatu, tworzenie stref nie będzie dogodną metodą. Należałoby stworzyć osobne strefy dla wzmocnionych regionów, a dodatkowe dla pozostałych. W rzeczywistości w detalu można byłoby wyróżnić strefy wzmocnione, które zostały nałożone na globalne warstwy. Aby w pełni odwzorować powyższą sytuację, użytkownik może wykorzystać ostatnią z opisywanych metodyk - Multi-Ply Design. Zostanie ona omówiona w kolejnym wpisie, wraz możliwościami sprawdzania projektu, symulowania zachowania włókna podczas laminowania, a także tworzenia dokumentacji technologicznej.

...

Metodyki w projektowaniu struktur kompozytów polimerowo-włóknistych z wykorzystaniem programu Fibersim – część druga - Blog NX CAE, NX CAD, NX CAM, NX Mold, NX Progressive, FIBERSIM | CAMdivision

W poprzednim wpisie zostały zaprezentowane metodyki Ply Based Design, Zone Based Design. Natomiast w tym zostanie omówiona ostatnia metodyka - Multi-Ply Design, wraz z możliwościami sprawdzania projektu, symulowania zachowania włókna podczas laminowa
 

Komentarze

Umieść swój komentarz jako pierwszy!
Gość
czwartek, 21, listopad 2019

Zdjęcie captcha

Więcej w tej kategorii

11 grudzień 2018
NX CAE
Multi-Ply Design ​ Omawiana w poprzednim wpisie metodyka Zone Based Design zakłada, że tworzone strefy muszą pokrywać całą powierzchnię formy, bez żadnych pustych miejsc, a dodatkowo nie mogą się one nakładać na siebie. Tworząc detal, który będzie składał się z warstw globalnych, a tylko miejscowo będzie wzmocniony dodatkowymi warstwami lamina...
19 lipiec 2018
NX CAE
Ply-Based Design Jest to najbardziej podstawowa technika tworzenia warstw kompozytu. Korzystając z niej, użytkownik ręcznie wskazuje obszary powierzchni, na których ma zostać ułożona pojedyncza warstwa laminatu. Technika ta najlepiej symuluje czynności, jakie byłyby potrzebne do wykonania szablonów rozkrojów konwencjonalnymi metodami, bazując na do...
03 grudzień 2018
NX CAD
Edycja listy części Domyślnie lista części posiada angielskie opisy kolumn. Klikając dwukrotnie na komórkę, uruchamia się okno do edycji tekstu komórki. Po wprowadzeniu odpowiednich danych należy zatwierdzić przyciskiem ENTER. Każda komórka tabeli, a także każdy wiersz i kolumna mają własne ustawienia. Po wyborze jednej z nich i kliknięciu PPM – Us...
27 listopad 2018
NX CAD
Klonowanie w NX jest przeznaczone do szybkiego kopiowania plików ze zmienionymi nazwami. Kopiowanie odbywa się według reguł nazewnictwa, co znacznie skraca czas potrzeby na modyfikację nazw. Pliki po zmianie nazw nie tracą żadnych powiązań. Klonowanie umożliwia szybkie kopiowanie podzespół i wykorzystanie ich ze zmienionymi nazwami i rozmiaram...

Najbardziej popularne posty

04 listopad 2018
NX CAD
Tworzenie własnych szablonów rysunkowych jest nieodzowną częścią pracy na nowym systemie CAD. Z tego powodu w niniejszym artykule zostanie opisana metoda dodawania i edycji własnych formatek w NXCAD, aby oszczędzić niepotrzebnej pracy na dostosowywaniu arkusza w każdym nowym projekcie....
13 wrzesień 2018
NX CAD
​NX (poprzednia nazwa Unigraphics) instaluje się domyślnie w kilkunastu językach. W dowolnej chwili użytkownik może zmienić język menu, mimo że podczas instalacji została wybrana tylko jedna pozycja (np. polish).   Zmianę języka można zrealizować na 2 sposoby: 1. Edycja zmienn...
01 sierpień 2018
NX CAD
Podczas pracy nad detalem gdy już proces projektowania jest zakończony, możemy bezpośrednio w środowisku "Modelowania" przygotować odpowiednie widoki. Gdy nasza licencja NX posiada moduł do aplikacji "PMI" użytkownik jest w stanie poza zwykłymi widokami stworzyć przekrój, który nastę...
09 listopad 2018
NX CAD
Praca na warstwach w oprogramowaniu NX jest bardzo popularna i szeroko wykorzystywana w praktyce. Użytkownicy przeważnie wykorzystują warstwy do szybkiego pokazywania oraz ukrywania poszczególnych obiektów w pliku. ...
27 listopad 2018
NX CAD
Klonowanie w NX jest przeznaczone do szybkiego kopiowania plików ze zmienionymi nazwami. Kopiowanie odbywa się według reguł nazewnictwa, co znacznie skraca czas potrzeby na modyfikację nazw. Pliki po zmianie nazw nie tracą żadnych powiązań. Klonowanie umożliwia szybkie kopiowanie podzespół i wy...