Композиты Ядро

Введение
Ранее https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=22903 мы поведали уважаемому читателю о сложностях, возникающих при проектировании и подготовке производства изделий из композитов, представили краткий обзор ключевых возможностей современных специализированных САПР КМ и выделили их ключевой элемент - алгоритм моделирования драпировки ткани на сложных криволинейных поверхностях. С развитием наших разработок этот алгоритм стал основой библиотеки математических функций, предназначенных для автоматизации проектирования изделий из композитов, которая позже была зарегистрирована в виде продукта под названием «Композиты Ядро». По аналогии с геометрическими ядрами, без которых не обходится ни один современный машиностроительный CAD, работа САПР для изделий из композиционных материалов основана на постоянном использовании функций композитного ядра. Вместе с тем, такое обособление математического аппарата делает возможным его повторное использование в составе сторонних САПР, позволяя разработчикам сконцентрировать свои усилия на хорошо знакомых прикладных областях и значительно ускорить разработку конечных решений для предприятий, либо существенно снизить трудозатраты при реализации кроссплатформенного решения. В этой статье мы более подробно расскажем о ключевых компонентах композитного ядра, как именно используются результаты моделирования драпировки материалов, а также какие задачи проектирования крайне затруднительно решить без точного прогнозирования локальных переориентаций волокон.

Моделирование изделий из композитов
Основным объектом проектирования при разработке композитного изделия является композитный пакет, или ламинат. Под пакетом понимают совокупность слоев ткани, выкладываемых на поверхность оснастки для придания целевой формы и совместно отверждаемых в процессе изготовления изделия. Каждый слой состоит из плоского отреза материала, а также имеет несколько важных характеристик: форма, ориентация, положение в сечении (или порядковый номер в последовательности укладки при изготовлении) и др. Как правило, толщина изделий рассматриваемого типа существенно меньше остальных габаритов, поэтому при моделировании толщиной часто пренебрегают вовсе, а изделие описывают по всем принципам тонкостенных оболочек. Толщина придается модели в особых случаях с целью решения специфических задач, в частности, выполнения высокоточных расчетов на мезо- и микроуровне (уровень структуры компонента и уровень состава материала). К примеру, такой подход актуален при расчете эффективных свойств конструкции при распространении повреждений: деламинация, трещина в матрице, разрыв волокна и т.д., и в некоторых других случаях. Работать с оболочечным представлением на основе поверхности, периодически «вытягивая» его в точную объемную модель с учетом толщины слоев для решения узкой специфической задачи гораздо проще как с точки зрения описания изделия и внесения изменений в конструкцию, так и по причинам высоких требований к вычислительным ресурсам для обработки объемных моделей. При этом в подавляющем большинстве случаев разница в точности результатов, получаемых на основе поверхностных и объемных моделей при работе на макроуровне (уровень конечного изделия), пренебрежимо мала. Данное допущение принято во всех существующих коммерческих САПР КМ зарубежных вендоров, таких как CPD (Dassault Systems), Fibersim (Siemens) и др.

Элементарным объектом композитного изделия с точки зрения конструктора и технолога является слой композитной ткани.

Рассмотрим подробнее основные параметры слоя:

1.Форма
Слой может покрывать поверхность детали полностью или частично. Очевидно, что механические характеристики изделия в заданной его области напрямую зависят от количества слоев, расположенных в этой области. С точки зрения конструктора любое изделие осуществляет некоторую функцию, в более узком смысле для корпусных изделий – несет определенную нагрузку, приложенную к граням, ребрам, точкам поверхности тонкостенной оболочки. В зависимости от распределения нагрузок некоторые области целесообразно усилить, некоторые можно ослабить с целью снижения массы и сокращения расхода материала. Композитные изделия выгодно отличаются от изделий из изотропных материалов тем, что за счет формы выкладываемых слоев толщину и другие характеристики материала можно подбирать «по месту» и под функции, выполняемые конкретным изделием. При этом такое усложнение конструкции, в отличие от изотропных материалов, не приводит к существенному увеличению стоимости ее производства. Однако, для получения изделий высокого качества необходимо соблюдать стандарты технологического проектирования, о которых мы расскажем более подробно в следующих статьях. На изображениях ниже представлен слой, образующий тонкостенную оболочку и покрывающий всю поверхность изделия (см.Рис.1), и слой усиления, формирующий утолщение в носовой части изделия (см.Рис.2), а также их плоские развертки.

2. Материал
К общим параметрам материалов, влияющих на весь процесс разработки изделия, относится полный спектр механических характеристик (прочность, жесткость, коэффициент Пуассона и т.д.), тесно связанный с составом армирующих волокон (углеволокно, стекловолокно, арамиды); технологические параметры (предельный угол драпируемости, ширина рулона, толщина неотвержденного материала, толщина монослоя), а также поверхностная плотность, тип плетения и др. Наиболее часто применяемыми типами материалов, из которых состоят композитные слои с т.з. расположения армирующих волокон, являются однонаправленные и тканые.

a.     Однонаправленный материал представляет собой нетканый материал, все волокна которого расположены в одном, параллельном друг другу направлении. Однонаправленные материалы гораздо выгоднее тканых в отношении результирующих механических характеристик. Из таких материалов изготавливают высоконагруженные изделия: несущие обшивки, стрингеры, лонжероны, лопасти винтов, лопатки вентилятора ГТД, стойки, несущие элементы кузова, рессоры и пр. Однако, данный тип материала имеет крайне ограниченные возможности по драпируемости, а также обладает определенными нюансами с т.з. технологии выкладки, о которых пойдет речь далее. Проще говоря, из однонаправленных материалов крайне сложно изготавливать слои для изделий с ярко выраженной двойной кривизной и малыми радиусами кривизны (см.рис.3)

b.     Тканый материал – это совокупность ортогонально переплетенных нитей, обладающая несколькими видами дополнительных характеристик: тип плетения, ширина ячейки плетения, ориентация основы по отношению к направлению рулона и др. От типа плетения (полотно, саржа, сатин) зависят характеристики драпируемости ткани. Тканые материалы часто применяются при изготовлении слоев для сложных поверхностей двойной кривизны – различного рода обтекателей, кронштейнов, законцовок и т.д. Также тканые слои часто добавляют на внешней части пакетов из однонаправленных слоев для защиты их от мелких повреждений и царапин в процессе эксплуатации (см.рис.3).

Сам по себе термин «драпируемость» буквально означает способность ткани принимать геометрическую форму, определяемую целевой поверхностью: чем меньше складок при этом возникает, тем лучше драпируемость ткани. На простых формах (например, конус или цилиндр) ткань не деформируется в плоскости, легко принимает заданные формы. Задача моделирования драпируемости наиболее актуальна для неразвертываемых поверхностей двойной кривизны. Однако, ввиду высокого уровня требований к оптимизации аэро-, гидродинамики и к эстетике внешних поверхностей современных изделий, а также принципа наследования форм элементами каркаса второго и более высоких порядков, большинство корпусных и каркасных изделий современного авиа-, двигателе-, авто- и судостроения основаны на использовании именно такого типа поверхностей.

3. Ориентация
Одним из ключевых преимуществ композитов является возможность усиления не просто отдельной области изделия, а усиление в направлении действующей нагрузки. Подбирая ориентации, можно сформировать пакет, гарантирующий выполнение функции изделия при обеспечении максимальной весовой эффективности, т.е. спроектировать материал изделия под конкретные случаи нагружения с учетом заданных форм. Ориентация волокон в слоях (далее – ориентация слоев) подбирается таким образом, чтобы противодействовать основным нагрузкам, приходящимся на изделие. За направление 0 обычно принимают вектор действия основной нагрузки, также как правило задают три дополнительных ориентации: +45, 90, -45 (см.рис.4). Количество основных ориентаций (4) обусловлено физическими законами, справедливыми для композитных пакетов.

Пакеты, состоящие из слоев только с одним направлением, встречаются редко, поскольку в этом случае в поперечном направлении все нагрузки несет на себе матрица, имеющая значительно более низкие характеристики по сравнению с армирующими волокнами. Такие пакеты применяются в строительстве, часто это связано с ограничениями технологии производства (напр. пултрузия) при специфических требованиях к нагружению конструкции. В процессе эксплуатации изделия высокотехнологичного машиностроения (авиация, космос, автомобилестроение и т.д.) воспринимают сложные разнонаправленные нагрузки, и, хотя для многих деталей можно выделить основное наиболее нагруженное направление, все остальные направления также необходимо усилить армирующими волокнами, т.е. слоями с ориентациями +45, 90, -45. К примеру, согласно правилам проектирования ведущих мировых авиационных производителей, количество слоев по каждому из направлений не может быть менее 10% от их общего кол-ва в пакете.
Очевидно также, что при изготовлении изделий из тканых материалов ортогональное направление армируется автоматически (слой ткани с ориентацией 0 всегда содержит волокна с ориентацией 90, а слой с ориентацией +45 – волокна с ориентацией -45). Тем не менее, для тканых слоев также справедливы ориентации -45 и 90, это обусловлено технологическими ограничениями - шириной рулона, несимметричностью некоторых материалов.

Моделирование деформации материалов
Деформация материала при укладке зависит от конструкторских параметров слоя, рассмотренных выше (форма, материал, ориентация), а также от ряда технологических параметров: точка начала укладки, метод укладки, дополнительные технологические операции – вырезы, надрезы, деление слоя на элементы по ширине рулона. Дело в том, что при деформации материала нулевое волокно отклоняется от исходно заданного направления за счет кривизны поверхности, а относительный угол ориентации волокна в ячейках ткани меняется по мере удаления от точки начала укладки. Характер этих отклонений зависит от технологии укладки: например, при укладке от геометрического центра поверхности максимальные деформации образуются на краях детали, при укладке от одной из сторон максимальные деформации, как правило, наблюдаются на противоположной стороне; метод укладки, или способ разглаживания ткани, может отличаться в зависимости от формы изделия, типа материала, навыков и предпочтений конкретного рабочего. Все эти параметры влияют на направление и степень отклонения волокон, а сами отклонения, в свою очередь, являются источником сразу нескольких проблем разработчика изделия:
1.     При отклонении волокна меняются механические характеристики как конкретного слоя, так и всего изделия в целом;
2.     При деформации материала в слоях возникают зоны локального уплотнения волокон, влияющие на массово-инерционные характеристики конечного изделия;
3.     Каждый материал имеет свой уникальный предельный угол деформации, по достижении которого в конкретной ячейке появляются складки или недопустимые растяжения;
4.     Устранение технологических проблем с деформацией материала, описанных в п.3, путем перемещения начальной точки укладки, разделения слоя на элементы или добавления в контур надрезов/вырезов, фактически приводит к изменению одного из основных конструкторских параметров – формы слоя – и таким образом циклически влияет на пп.1 и 2, изменяя начальные данные и финальный результат;
5.     Особым технологическим параметром является метод укладки. Различают стандартный, геодезический и пошаговый методы. Также существуют методы укладки ткани по кривой и вокруг кривой, такие методы используются крайне редко и не будут рассмотрены в рамках данной статьи. Применение того или иного метода сказывается на характере деформаций материала, отклонений волокон и должно быть учтено при проектировании изделия.
Из вышеописанного следует, что в отличие от традиционных материалов, в композитах связь между технологией производства и оптимальной конструкцией изделия неразрывна, а степень взаимного влияния конструкторских и технологических параметров столь велика, что конструкция, разработанная без учета технологических ограничений, чаще всего неоптимальна, а иногда и вовсе нежизнеспособна. В большинстве случаев бездумное применение композиционных материалов в конструкциях без учета вышеописанных и некоторых других нюансов приводит к снижению эффективности работы таких конструкций, а иногда и к отказу от композитов в пользу традиционных материалов.

Отклонение волокон
Как мы определились выше, направление 0 совпадает с направлением основной нагрузки, и любое отклонение волокна от этого направления означает потерю несущей способности слоя / изделия. График на рисунке 5 даёт представление о степени влияния отклонения на механические характеристики. Из него следует, что отклонение в 15град ведет к снижению несущих характеристик слоя на 25-30%, в 30град – на 60-70%. В общем случае размещение конструктором слоя с заданной ориентацией при традиционном описании конструкции на деле не гарантирует присутствия волокна с такой же ориентацией в каждой точке поверхности.

Для сложных поверхностей данную проблему невозможно устранить полностью, т. к. она обусловлена природой физических ограничений материалов и свойствами их драпировки. Однако, результаты драпировки можно спрогнозировать с помощью моделирования, а в процессе моделирования подобрать такие значения начальных параметров, при которых отклонения в особо нагруженных зонах будут минимальны. Именно здесь и возникает первая потребность в обращении к композитному ядру, способному рассчитать реальное поведение материала на криволинейной поверхности. Результаты, наглядно представленные на 3d модели в виде сетки, покрывающей поверхность слоя и раскрашенной в разные цвета, помогут понять, где именно отклонения превышают пороговые значения (см.рис.6).

При этом, как было сказано выше, отклонения волокон зависят от ряда параметров: ориентации слоя (рис.7), начальной точки выкладки (рис.8), метода укладки и пр.

Таким образом, алгоритмы ПО «Композиты Ядро» позволяют оценить реальное поведение материала с учетом отклонений волокон, обусловленных совокупностью технологических ограничений и его свойств. Благодаря композитному ядру, реальные ориентации волокна могут быть точно определены в каждой точке поверхности для всей укладки (см.рис.9).

На следующем шаге результаты такого моделирования для каждой ячейки сетки каждого отдельного слоя композитного пакета используются в расчетной модели при проведении различных видов КЭ анализа, что существенно повышает точность прогнозирования свойств конечного изделия.

Расчет массово-инерционных характеристик изделия
Для упрощенного расчета массы слоя применяется формула
m₀ = S * Wa, где
m₀ – масса слоя по упрощенному методу
S – площадь поверхности, покрываемой слоем
Wa – масса единицы площади материала
Результат вычислений массы по упрощенному методу для полноразмерного слоя (см.рис.10):
m₀ = 2,17 м2 *192.993 г/м2 = 0,418 кг

При этом результат точного расчета на основе алгоритмов композитного ядра с учетом локальных уплотнений материала (см.рис.11):
m₁ = 0,434 кг

Разница в оценке массы выбранного полноразмерного слоя для рассматриваемого изделия составляет порядка 3,5%. На практике данное расхождение в масштабе конструкции изделия зависит от ряда проектных параметров и достигает 5%. Очевидно, что локальное уплотнение волокон влияет также на прочие МИХ, такие, как моменты инерции и центр масс, что для ряда отраслей, к примеру, авиационной и космической, является весьма существенным фактором.
Таким образом, применение ПО «Композиты Ядро» способствует существенному повышению точности прогноза массово-инерционных характеристик конечных композитных изделий при их проектировании и помогает повысить качество принимаемых проектных решений.

Технологическое моделирование
            Наиболее очевидная и ожидаемая область применения функционала «Композиты Ядро» – технологическая подготовка производства. Глядя на результаты моделирования драпировки, технолог имеет возможность по цветовому окрасу сетки понять, где материал при реальной выкладке слоя с заданными параметрами будет претерпевать недопустимые деформации – растянется или соберется в складки. Также на основе результатов моделирования драпировки создается точный контур плоской развертки слоя (см.рис.12).

Результаты драпировки и контур развертки связаны неразрывно – при изменении топологии драпировки однозначно изменится и развертка. В свою очередь, топология драпировки и ее окрас зависят от целого набора параметров слоя, не раз упоминавшихся выше, но не только от них.
            Аналогично отклонениям, результат драпировки и форма развертки зависит от: ориентации слоя (рис.13), материала слоя (рис.14), начальной точки выкладки (рис.15), наличия или отсутствия надрезов и вырезов (рис.16).

Отдельно стоит упомянуть о различных методах укладки слоев, применяющихся при производстве композитных изделий. Наиболее типовым методом укладки является т.н. стандартный, или обычный метод. При укладке стандартным методом рабочий разглаживает материал от начальной точки, постепенно продвигаясь по концентрическим окружностям в направлении границ слоя. Такой метод хорошо подходит для тканых материалов и часто применяется при производстве.
            Наряду со стандартным методом при укладке слоев также используется геодезический метод, в данном случае укладка производится вдоль основы ткани или ленты от точки до границы слоя в обе стороны, далее по смещенной на небольшое расстояние в поперечном направлении геодезической кривой и так далее, до достижения границ слоя. Данный метод как правило применяется для однонаправленных лент, поскольку растягивать и разглаживать их в поперечном направлении не рекомендуется: волокна легко отделяются друг от друга, ввиду чего целостность ленты может быть нарушена. Тем не менее, такой метод укладки может быть применен и к тканому материалу.
            Наряду с другими параметрами, применяемый метод укладки оказывает влияние на результаты моделирования драпировки и форму развертки. К примеру, если укладка смоделирована геодезическим методом, а полученная развертка укладывается стандартным, с высокой долей вероятности произведенная деталь потеряет в качестве или уйдет в брак (см.рис.17).

Таким образом, для получения качественных и точных производственных данных композитное ядро должно иметь возможность учитывать как различные параметры материалов, так и специфические особенности технологического процесса. Любые технологические операции, призванные устранить недопустимые деформации материала или другие технологические ограничения, влияют на переориентацию волокон в слое, в связи с чем для особо критических изделий рекомендуется повторно пройти цикл анализа отклонения волокон и обновить результаты расчетов физико-механических характеристик на основе уточненных данных.
            Помимо рассмотренных функциональных особенностей композитное ядро используется для автоматизации решения ряда важных и сложных задач при разработке изделий из композитов. К таким задачам можно отнести расчет длин периметров слоев, построение линий ширины материала при превышении ширины рулона материала габаритами слоя, получение геометрии траекторий отдельных волокон, перенос служебных маркеров на развертки и пр. Вместе с тем, к композитному ядру предъявляются жесткие системные требования, связанные со скоростью расчета узлов сетки и визуализации результатов, структуры хранения и обмена данными с КЭ системами, неприхотливости в отношении исходной геометрии и пр.

Заключение
            Подводя итоги, «Композиты Ядро»:
1.     Предназначено для применения в специализированных САПР при проектировании изделий из композитов для своевременного анализа отклонения волокон с учетом физических ограничений материалов и специфики технологии производства;
2.     Служит источником исходных данных для КЭ анализа и прогнозирования точных механических характеристик конечного изделия;
3.     Является основой процесса технологической подготовки производства изделий из композитов, обеспечивает моделирование драпировки ткани с учетом технологических операций (надрезы, вырезы) и позволяет подготовить точные производственные данные с учетом всех нюансов и тонкостей конструкции и технологического процесса.
Приведенный в статье функционал композитного ядра используется в составе решения САРУС+ Композиты, разрабатываемом командой ООО «НКК» с участием специалистов ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» на базе импортонезависимого PLM-комплекса в защищенном исполнении САРУС. В процессе работы мы убедились в том, что разработка и применение подобных продуктов требует не только понимания базовых физико-математических принципов моделирования драпировки, но и тонкой предметной настройки алгоритмов. На сегодняшний день степень зрелости ядра позволила нам реализовать на основе комплекса САРУС полноценный специализированный САПР, обеспечивающий выполнение сквозного сценария разработки изделий из композитов от послойного проектирования и технологической подготовки производства до получения производственных данных для промышленного оборудования. Более подробно о функционале САРУС+ Композиты мы расскажем в следующих статьях цикла. А пока очень надеемся, что читатель смог в полной мере оценить важность такого критического компонента, как композитное ядро, для мира автоматизации проектирования композитных изделий.
Больше ядер, красивых и разных 😊