Перейти к содержанию

Сравнение проектных и фактических свойств композитных материалов

За последние 30 лет сфера применения армированных волокном пластиков (ПАВ) значительно расширилась, чему способствовали их низкая масса и высокая прочность. Однако многие технологические проблемы производства таких пластиков еще не решены, а прогнозирование прочностных характеристик пока остается больше искусством, чем наукой. Поэтому изготовление композитных материалов — длительный и дорогостоящий процесс, во многом выполняемый методом проб и ошибок.

Оценка характеристик изделий

Проектирование композитных изделий отличается тем, что форма изделия обязательно определяется его назначением. Внедрение численного моделирования конструкций и оценки физических характеристик композитных изделий — необходимое условие дальнейшего роста областей применения подобных материалов. Наши решения по проектированию слоеных композитных материалов и система Fibersim уже несколько лет успешно решают задачи прогнозирования характеристик композитов.

Кроме того, наши решения обеспечивают проведение натурных испытаний готовых композитных деталей и сопоставление их результатов с расчетными значениями.

Технологические трудности

Изготовление композитов по-прежнему остается непростым делом. Влияние параметров технологического процесса представлено на двух следующих рисунках. На них изображены Ω -образные образцы из термопластического композитного материала. На рис. 1 волокна основы и утка расположены точно перпендикулярно друг другу. Под действием сил и граничных условий произошла деформация детали, показанной на рис. 2, и волокна уже не расположены перпендикулярно. Сдвиговая деформация в такой детали значительно выше, что ослабляет ее и может привести к разрушению.

Image - Article Closing the Loop between As-Designed and As-Manufactured Image 1
Рис. 1. Правильная ориентация волокон
    
Image - Article Closing the Loop between As-Designed and As-Manufactured Image 2
Рис. 2. Перекос волокон

Численное моделирование технологических процессов

Второй этап численного моделирования деталей из композитов — это моделирование процессов их производства с целью прогнозирования и, соответственно, устранения возможных деформаций.

  • Система Fibersim выполняет численное моделирование процессов укладки слоев композитного материала с учетом особенностей вакуумного формования и обрезки слоев (см. раздел «Анализ технологичности» ниже), прогнозируя и устраняя производственные дефекты (например, образование морщин).
  • Прогнозирование хода процессов теплового отверждения в Simcenter 3D позволяет рассчитать возникающие деформации с учетом перепада температур на детали и длительности цикла отверждения. При этом оцениваются и отклонения в ориентации волокон.

Замыкая цикл

Пока еще сохраняется разрыв между проектными и фактическими свойствами изделий. Даже если мы можем спрогнозировать, как конструкция должна быть спроектирована и изготовлена, то обязательным следующим этапом является оценка структурной прочности конструкции, а так же влияние параметров изготовления на прочностные характеристики и наоборот, как жесткость конструкции влияет на процесс изготовления. Только в этом случае становится возможной виртуальная оптимизация как технологических процессов, так и характеристик изделия.

Нам удалось достичь этого в партнерстве с компаниями FlandersMake, KU Leuven, Borit, Bosal и Noesis Solutions, выполнив исследовательский проект под названием «Виртуальная платформа проектирования листовых изделий» (VIDESPRO).

Ключевая методика для создания такой обратной связи называется «проектирование функциональных характеристик». Она связывает параметры изделия с его эксплуатационными характеристиками и применяется на этапе конструирования. Использование указанной методики при численном моделировании технологических процессов позволяет проводить анализ чувствительности, оптимизацию и оценку влияния отклонений в технологических параметрах на характеристики изделия.

Такая обратная связь в полной мере раскрывает потенциал снижения массы изделий из армированных композитов, применяемых в автомобилестроении, авиационно-космической промышленности и других отраслях. Виртуальное совершенствование конструкции изделия и технологии его изготовления сводит опасность возникновения дефектов к минимуму. Более того, сокращаются затраты и сроки проектирования, так как удается избежать «метода проб и ошибок» при оптимизации параметров технологических процессов.

We are sorry

Unfortunately our server is acting up and refused to process your request. Rest assured that we are fixing it's malfunctioning circuitry right away.

Thank you. Your form has been submitted!

Watch Now!

Close Video