W Y B R A N E P R O B L E M Y I N Y N I E R S K I E

Transkrypt

1 W Y B R A N E P R O B L E M Y I NY N I E R S K I E Z E S Z Y T Y N A U K O W E I N S T Y T U T U A U T O M A T Y Z A C J I P R O C E S Ó W T E C H N O L O G I C Z N Y C H I Z I N T E G R O W A N Y C H S Y S T E M Ó W W Y T W A R Z A N I A ANALIZA WYTRZYMAŁOCIOWA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH WZMACNIANYCH WŁÓKNAMI CIGŁYMI Z ZASTOSOWANIEM ZAAWANSOWANEGO PROGRAMU GRAFICZNEGO UNIGRAPHICS NX7 Michał Skalski 1, Mateusz Reczek 2, Sławomir ółkiewski 3 Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska, ul. Konarskiego 18A, Gliwice. 1 michal.skalski85@gmail.com, 2 mateusz.reczek@op.pl, 3 slawomir.zolkiewski@polsl.pl Streszczenie: Celem pracy jest przedstawienie metodyki bada wytrzymałociowych materiałów o strukturze kompozytowej. W pracy zawarto opis wykonania analizy wytrzymałociowej modelu kompozytu w programie Unigraphips NX7. Analiz wytrzymałociow przeprowadzono z wykorzystaniem metody elementów skoczonych. 1. Wstp Kompozyt jest materiałem powstałym z połczenia co najmniej dwóch komponentów, o rónych właciwociach w taki sposób, e ma właciwoci nowe lub lepsze ni łczone komponenty uyte osobno. Kompozyt jest materiałem zewntrznie monolitycznym, jednake z widocznymi granicami miedzy komponentami. Wród łczonych ze sob komponentów wyrónia si osnow i zbrojenie. Materiały kompozytowe znajduj współczenie zastosowanie midzy innymi w samolotach, samochodach, sprzcie kosmicznym, łodziach, jachtach, szybowcach i najwyszej klasy sprzcie sportowym. Wybór odpowiednich materiałów do produkcji kompozytów musi uwzgldnia przede wszystkim warunki pracy danej konstrukcji, a wic system obcie i ich wielkoci oraz rodowisko pracy danej konstrukcji [1]. Unigraphics NX 7 to zaawansowany program graficzny, umoliwiajcy: modelowanie w rodowisku trójwymiarowym, wygenerowanie dokumentacji w postaci rysunków technicznych, weryfikacj wytrzymałociow oraz symulacj wytwarzania produktu. Moduł NX Advanced Simulation to narzdzie, słuce do symulacji działania i analizy wytrzymałociowej opracowanych modeli. W module Advanced Simulation moliwe jest zamodelowanie materiału o strukturze kompozytowej. Parametry modelowanego laminatu wprowadza si w oknie Laminate Modeler. Po okreleniu wszystkich parametrów kompozytu mona przeprowadzi właciw analiz wytrzymałociow. Wyniki z przeprowadzonych analiz dostarczane s uytkownikowi poprzez wiele narzdzi do wizualizacji wbudowanych w moduł programowy Advanced Simulation. 2. Opracowanie modelu próbki kompozytowej i analiza wytrzymałociowa Modelowanie elementu kompozytowego w Unigraphics NX7 rozpoczto od utworzenia nowego modelu w programie.

2 SKALSKI M., RECZEK M.,ÓŁKIEWSKI S. Za pomoc komendy Sketch utworzono lini o długoci 40 mm. Po wyjciu z narzdzia Sketch, korzystajc z komendy Extrude, wycignito szkic do długoci 400 mm. W ten sposób powstała powierzchnia, na której utworzony zostanie kompozyt. Rys. 1. Model w programie NX7 Stosujc narzdzie Datum Plane oraz Divide Face, utworzono dwie płaszczyzny (w odległoci 70 mm oraz 350 mm od krótszej krawdzi próbki), wyznaczajce linie podparcia i obciania kompozytu. Na rys. 1 przedstawiono okno programu NX7 z zamodelowan powierzchni pod wykonanie kompozytu. Nastpnie przeniesiono model do modułu Advanced Simulation. W zakładce Simulation Navigator skorzystano z polecenia New FEM and Simulation. Okrelono solver, jako NX Nastran oraz rodzaj analizy Structural. W zakładce Simulation Navigator, korzystajc z menu podrcznego, wybrano opcje tworzenia siatki elementów skoczonych New Mesh. Ze wzgldu na to, e kompozyt tworzono na powierzchni uyto opcj 2D oraz Mapped. Po otwarciu okna, którego widok przedstawiono na rys. 2, okrelono wielko elementów skoczonych (Overall Element Size) oraz w sekcji Destination Collector utworzono ustawienia fizyczne kompozytu [2]. Rys. 2. Widok okna 2D Mapped Mesh

3 ANALIZA WYTRZYMAŁOCIOWA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH WZMACNIANYCH WŁÓKNAMI Po okreleniu wszystkich parametrów kompozytu przeprowadzono właciw analiz wytrzymałociow. W celu zasymulowania bada rzeczywistych utwierdzono element poprzez wybór ikony Constraint Type, a nastpnie opcji Fixed oraz zaznaczono obszar próbki, do którego ma by zastosowane to narzdzie. Aby zdefiniowa sił grawitacji i obcienie, wybrano ikon Load Type (rys. 3) oraz opcje Gravity oraz Force. Rys. 3. Okrelenie sił działajcych na model Na rys. 3 przedstawiono model z nałoonymi wizami oraz przyłoon sił. Posta modelu odwzorowuje model rzeczywisty próbki, poddanej próbom zginania. Zamodelowana próbka kompozytowa składa si z omiu warstw tkaniny szklanej o gramaturze 350g/m 2 (splot skony), przesczonych ywic epoksydow Epidian 6. Na warstw wierzchni kompozytu zastosowano blach stalow o gruboci 0,5 mm. Do opisania własnoci materiałów podczas modelowania w programie Unigraphics NX7 wykorzystano wielkoci dostpne w literaturze, które mog odbiega od parametrów rzeczywistych. Po okreleniu wszystkich sił i wybraniu opcji Solve przeprowadzono obliczenia wytrzymałociowe metod elementów skoczonych. Wybór sposobu prezentacji wyników odbywał si w oknie Post Processing Navigator. Poprzez zaznaczenie danego rozwizania w oknie głównym programu generowano widok modelu z rozkładem napre. Rys. 4. Rozkład wielkoci odkształcenia próbki(strzałki ugicia) przy obcieniu sił 5 N

4 SKALSKI M., RECZEK M.,ÓŁKIEWSKI S. Moliwe jest wygenerowanie midzy innymi widoku rozkładu odkształce modelu (Displacement), rozkładu napre w wybranej warstwie (Ply Stress), działajcych sił (Reaction Force) oraz momentów (Reaction Moment). Otrzymane wyniki mona przedstawi w kadej z osi układu współrzdnych. Wybór opcji Imported Results pozwala na wczytanie zapisanych wczeniej wyników symulacji. Na rys. 4 przedstawiono rozkład odkształce próbki w osi Z, czyli tak zwanej strzałki ugicia przy obcieniu sił o wartoci 5 N. Odczytu wartoci odkształcenia w wybranym punkcie pomiarowym dokonuje si za pomoc narzdzia Identify Results [3]. 3. Podsumowanie W pracy przedstawiono weryfikacj wytrzymałociow kompozytu w zaawansowanym programie Unigraphics NX7. Opracowanie modelu w programie NX7 wymaga znajomoci parametrów wytrzymałociowych zastosowanych komponentów do budowy kompozytu. Wany jest prawidłowy podział modelu w metodzie elementów skoczonych oraz właciwe okrelenie sił obciajcych. Model kompozytu wykonano z wykorzystaniem elementów skoczonych typu powierzchniowego kwadratowego w celu odwzorowania struktury tkaniny zbrojcej. Dokładno uzyskanych wyników jest uzaleniona w głównej mierze od znajomoci parametrów fizycznych laminatu. Podczas modelowania w programie NX7 wykorzystano parametry dostpne w literaturze, które mog odbiega od parametrów rzeczywistych materiałów zastosowanych do budowy kompozytu. Modelowanie elementów kompozytowych pozwala, ju na etapie projektowania konstrukcji, zweryfikowa wymagane własnoci mechaniczne kompozytu oraz przeprowadzi analiz wytrzymałociow projektowanego elementu. Literatura 1. Dobrzaski L.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Warszawa: WNT, Reiner A., Peter B.: Simulationen mit Unigraphics NX 4: kinematik, FEM und CFD. Wien: Carl Hanser Verlag, STRENGHT ANALYSIS OF COMPOSITE MATERIALS REINFORCED WITH CONTINUOUS FIBERS IN UNIGRAPHICS NX7 Summary: The paper presents a methodology for the strength analysis of composite materials. The paper contains a strength analysis description of the composite model in the Unigraphics NX7 application. Strength analysis was conducted using FEM method.

5