Modelowanie i analiza materiałów kompozytowych w NX

System NX firmy Siemens PLM Software, będący zintegrowaną platformą wspomagającą projektowanie, symulacje i analizy inżynierskie oraz wytwarzanie, zawiera szereg zaawansowanych, specjalizowanych narzędzi dedykowanych konkretnym branżom przemysłowym lub określonym metodom wytwarzania. Wśród nich znajduje się moduł wspomagający projektowanie części wykonywanych z wykorzystaniem materiałów kompozytowych, składających się z wielu warstw różnych tworzyw, których połączenie zapewnia uzyskanie pożądanych właściwości. NX Laminate Composites umożliwia szybkie i łatwe zamodelowanie, optymalizację oraz przeprowadzenie analiz wytrzymałościowych dla skomplikowanych struktur kompozytowych.

Proces budowy modelu kompozytowego opiera się na tradycyjnym modelu 3D części wykonanym w postaci bryłowej lub powierzchniowej. Na podstawie wskazanych ścian tego modelu generuje się siatkę powierzchniową 2D (rys. 1). Dla wyrobów o zróżnicowanej grubości ścian możliwe jest również wygenerowanie przestrzennej siatki elementów skończonych, która lepiej odzwierciedla tego typu strukturę. Można tego dokonać poprzez wyciągniecie siatki powierzchniowej w kierunku normalnym lub poprzez wypełnienie elementami 3D przestrzeni pomiędzy wskazanymi siatkami powierzchniowymi (rys. 2). Po nałożeniu siatki elementów skończonych (powierzchniowej lub przestrzennej) na cały obiekt definiuje się dla niej poszczególne warstwy kompozytu, przypisując każdej z nich pożądany materiał, grubość oraz kąt ułożenia (rys. 3).

Rys. 1. Definiowanie siatki elementów skończonych 2D na podstawie geometrii modelu 3D

Rys. 2. Przykłady siatki elementów skończonych 3D uzyskanej poprzez wyciągnięcie (po lewej) i poprzez wypełnienie (po prawej)

Rys. 3. Okno definiowania warstw materiału kompozytowego

Po zdefiniowaniu wszystkich warstw kompozytu możliwe jest sprawdzenie ich poprawności. Program dokonuje symulacji ułożenia materiału zgodnie z kształtem projektowanej części. Pozwala to zaobserwować ułożenie włókien na części oraz wykryć obszary, na których układane warstwy nie będą zachowywały pożądanego kształtu lub będą niemożliwe do wykonania.

Rys. 4. Symulacja nakładania warstw materiału kompozytowego i weryfikacja ułożenia włókien

Dla poszczególnych warstw zaprojektowanego materiału kompozytowego można wyznaczyć kształt rozwinięcia i w razie potrzeby wyeksportować go do oddzielnego pliku (rys. 5).

Rys. 5. Generowanie rozwinięcia dla wybranej warstwy kompozytu i eksport do oddzielnego pliku

Przygotowany w powyższy sposób model materiału kompozytowego można wykorzystać do przeprowadzenia jego analiz wytrzymałościowych w celu weryfikacji uzyskanych własności materiałowych. Wyniki analizy można wyświetlić dla poszczególnych warstw kompozytu (rys.6).

Rys. 6. Wyniki analizy wytrzymałościowej dla wybranej warstwy kompozytu

Wszystkie przedstawione etapy modelowania i weryfikacji wielowarstwowych struktur kompozytowych są ze sobą powiązane, dzięki czemu NX pozwala w łatwy sposób dokonywać optymalizacji utworzonego modelu pod względem zarówno geometrycznym, jak i pod względem własności fizycznych materiałów zastosowanych do budowy danego kompozytu.

Piotr Menchen