Tänu Multifüüsikalisele Simulatsioonile Saate Materjalide Omadustest Paremini Aru

2023 Autor: Hannah Pearcy | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-08-25 03:37

Komposiit on heterogeenne materjal, mis koosneb vähemalt kahest integreeritud komponendist, et parandada konstruktsiooni jõudlust. Mitmefüüsikaline simulatsioon võimaldab komposiitmaterjalide kombineeritud mehaanilisi, termilisi ja elektromagnetilisi analüüse. Sõltuvalt rakendusest on võimalik ka komposiidi koostoime näiteks voolude või akustikaga. Selliste analüüside tõhususe ja otstarbekuse üle on otsustav arvuline rakendamine, mis peab olema kohandatud komposiitmaterjalide erinevatele mõõtkavadele ja pikkuse suhtele.

Seminari nipp

Kergete ehitusmaterjalide seminaril õpetatakse kergete konstruktsioonide meetodeid, projekteerimispõhimõtteid ja ehitusmeetodeid. Osalejad saavad ülevaate erinevatest kergekaalulistest materjalidest, õpivad tundma materjalide valiku kriteeriume ja õpivad tundma erinevate materjalide eeliseid, puudusi ja riske.

Makroskoopilised omadused mikroskoopilistest ühikurakkudest

Kiud- ja maatriksmaterjalidest koosnevate laminaatide iseloomuliku struktuuri tõttu sõltuvad homogeniseeritud makroskoopilised omadused mikroskoopilistest omadustest ja vastavatest mahuosadest. Kiudainetest ja maatriksist valmistatud üksikute kihtide või tüüpiliste ühikurakkude modelleerimiseks kasutatakse mikromehaanilisi analüüse, mille eesmärk on kindlaks teha makroskoopilised omadused ja kasutada neid tegeliku modelleerimise jaoks.

Kaks lähenemist kihiliste komposiitide simuleerimiseks

Paljudest õhukestest kihtidest koosnevate tervete komponentide multifüüsikaline simuleerimine on väga tõhus ainult siis, kui kihtide struktuure ei pea selgesõnaliselt lahendama ja võrku ühendama; kuna see tooks kaasa äärmiselt peened ja arvutuslikult keerukad võrgustruktuurid. Praktikas on vaja ressursitõhusamaid lähenemisviise:

• Samaväärse ühekihiline lähenemisviisi on üks selline lähenemine. See põhineb esimese astme nihkedeformatsiooni teoorial, mis on samaväärse ühekihilise teooria klass, milles kõik kihid ühendatakse samaväärseks materjaliks. Tulemused hõlmavad täielikku 3D pinge ja deformatsiooni jaotust, nii et näiteks saab uurida pinge kõikumisi igas kihis.
• Põhinevast kihiliselt lähenemine on lähenemine põhineb kihiline teooria täpsem analüüs komposiit laminaatide. Piiritingimusi saab paigutada nii üksikutele kihtidele kui ka kihtidevahelistele liidestele. Üksikute kihtide materjalid võivad olla mittelineaarsed. Tulemused hõlmavad täielikku 3D pinge ja deformatsiooni jaotust, nii et näiteks saab arvutada kihtidevahelisi pingeid ja uurida pinge kõikumisi igas kihis.

Kasutamisnäide: tuuleturbiini laba analüüs

Tuuleturbiinid olid Saksamaal 2019. aastal kõige olulisem alternatiivne energiaallikas, seetõttu on tuuleturbiinide kavandamine, analüüs ja tootmine energeetikatööstusele äärmiselt oluline. Tiivikulabade olulised komponendid on tuuliku; Elektrienergia genereerimisel pöörlemisel peavad nad taluma erinevat tüüpi koormusi, näiteks tuule-, gravitatsiooni- ja tsentrifugaalkoormusi, olles samal ajal võimalikult tõhusad ja vaiksed. Rootori laba suuruse jaoks on vaja kergeid ja tugevaid materjale ning selleks sobivad hästi komposiitmaterjalid.

See näide näitab, kuidas analüüsida rootorilaba, mis koosneb süsiniku epoksü, klaasvinüülestri ja PVC vahu segust. Rootori tera on valmistatud võileivakonstruktsioonina, milles PVC-vahu südamik on asetatud süsiniku epoksü ja klaasvinüülestri vahele.

• Esiteks tehakse lõiketera pingeanalüüs, milles see puutub kokku gravitatsiooniliste ja tsentrifugaalkoormustega, mis vastavad tegelikele töötingimustele. Tera erineva koormuse korral arvutatakse tera tipu deformatsioon, maksimaalsed pingeväärtused ja kihi poolt lahendatud pingejaotus tera konkreetses punktis.
• Eelpingestatud omavõnkesagedusega analüüsi teostatakse seejärel tüüpilise vahemikus ekspluatatsioonikiirustel. Sel viisil saadakse loomulike sageduste varieerumine kiirusega, mis on tuuleelektrijaamade ohutuks käitamiseks väga oluline teave. Seda erinevust saab selgelt näidata Campbelli diagrammil (joonis 2).

Seminari nipp

Süstemaatilises materjalivaliku seminaris õpetatakse materjali tootmise, materjali struktuuri ja sellest tulenevate materjali omaduste seoseid. Eesmärk on esitada materjali valimise protsessi terviklik kirjeldus, alates nõudeprofiili loomisest, eelvalikust kuni peene valiku ja riskianalüüsini.

Multifüüsika laiendab rakendusvõimalusi

Komposiitdetailid on sageli konstrueeritud puhtmehaaniliste nõuete järgi, kuid on ka juhtumeid, kus tuleb arvestada muude füüsikaliste nähtustega. Sellistel juhtudel tuleb luua ja arvutada mehaanika ja nende muude nähtuste vahelised mitmefüüsilised seosed. Eristame kahte põhimõtteliselt erinevat tüüpi interaktsiooni komposiidi mehaanika ja nende muude nähtuste vahel:

• Koostoimed komposiitkihtides ja
• need, mis esinevad komposiitide välisservades.

Laminaadis toimuvad füüsikalised protsessid hõlmavad termilisi ja elektrilisi koostoimeid. Laminaadi kujundamisel on oluline arvestada nende mõjude samaaegse mõjuga. Mõlemad mainitud kihtteooriad saab ühendada komposiitmaterjalide termilise ja elektrilise modelleerimisega.

Seotud protsesside näited

Selliste ühendatud protsesside tüüpiline rakendusnäide on džaul-kuumutamine ja sellest tulenev komposiitmaterjali soojuspaisumine. Viimaseid võivad põhjustada ka muud soojusallikad, näiteks laserkiirgus

Veel üks näide mitmefüüsikalistest ühendustest on komposiitlaminaatidesse põimitud piesoelektriliste kihtide analüüs

• Teistes füüsikalistes protsessides toimib laminaat 3D-ala piirina, milles toimuvad olulised protsessid. Näiteks on võimalik komposiitlaminaat ühendada ümbritseva vedeliku vooluga ja seega arvutada laminaadi ja vedeliku ümber toimuva voolu vahelise jõuülekanne. See haakeseadis on vajalik näiteks aerodünaamiliste jõudude arvestamiseks tuuleturbiini labas.
• Veel üks seos on piesoelemendi puhul ilmne: heli levik, mis tuleneb helianduri piesoelektrilisest vibratsioonist, või vastupidi, akustiliste lainete poolt ergastatud helisensori vibratsiooni saab simuleerida kihiliste komposiitide ja akustiliste helilainete ühendamise teel.

* Dr. Phillip Oberdorfer ja Maria Iuga Römer, Comsol Multiphysics GmbH