ANSYS Material Designer

Materialele compozite constau din două sau mai multe materiale dispuse stratificat sau altfel integrate pentru a crea un material nou cu proprietăți diferite. Aceste materiale combină cele mai bune proprietăți ale materialelor componente ale acestora, rezultând un produs care este atât ușor, cât și puternic.

Modelarea materialelor compozite în analiza cu elemente finite presupune adesea efectuarea de teste experimentale pentru a determina exact proprietățile materialelor, care pot fi costisitoare și consumatoare de timp. ANSYS Material Designer permite crearea materialelor compozite pentru simulare folosind materiale de bază cu proprietăți cunoscute. Putând calcula proprietățile materialelor compozite astfel obținute, Material Designer furnizează un instrument necesar în proiectarea și fabricarea produselor compozite.

Material Designer poate fi, de asemenea, utilizat pentru a genera materiale omogenizate pentru structuri de tip “lattice”. Acest lucru permite testarea performanțelor pieselor cu structura de tip “lattice” obținute în procesul de fabricație de tip “3D Print”. Material Designer permite utilizarea parametrilor și acest lucru face posibilă optimizarea structurilor de tip “lattice”.

ANSYS Material Designer este o aplicație componentă a platformei ANSYS Workbench și este integrată în fluxul de lucru standard de realizare a analizelor în această platformă. Întregul flux de lucru pentru o structură compozită, începând cu proiectarea materialelor compozite și ajungând la planul final de producție, poate fi realizat în platforma ANSYS Workbench folosind Material Designer și ANSYS Composite PrepPost (ACP).

Material Designer oferă baza pentru proiectarea inițială a produselor compozite. Materialele compozite pot fi modelate rapid în Material Designer, precum și parametrizate pentru a căuta cele mai bune proprietăți posibile ale materialelor.

Material Designer folosește interfața ANSYS SpaceClaim Direct Modeler.

Considerații teoretice

Simularea numerică a structurilor compozite este o provocare datorită diferențelor de scară de lungime implicate. De exemplu o paletă de rotor al unei turbine eoliene din materiale compozite armate cu fibră de sticlă: diametrul fibrelor de sticlă este de câțiva micrometri, în timp ce diametrul turbinei este de 100 de metri. Aceasta este o diferență de scară de aproximativ opt ordine de mărime.

Metoda elementelor finite ar putea fi folosită pentru a studia comportamentul structural al unui sistem de acest fel (rezolvând și problema diferențelor de scară de lungime), însă nu este practică. Numărul de elemente generate ar fi uriaș iar soluționarea analizei ar dura foarte mult, chiar dacă s-ar folosi o mașină de calcul foarte puternică.

Diferența de scară este, de asemenea, o problemă în procesul de fabricare de tip “3D Print”. Imprimarea 3D permite generarea de piese la scară, cu microstructuri complexe. Raportul dintre scările de lungime implicate este mai mic decât în cazul paletei composite dar prezintă totuși o provocare semnificativă de calcul, utilizând un singur model cu elemente finite care rezolvă și problema diferențelor de scară de lungime.

Abordarea standard pentru eliminarea acestei probleme de scară în analiza cu elemente finite care implica materiale compozite este omogenizarea. Proprietățile unui material compozit sunt obținute făcându-se o medie, în loc să se simuleze microstructura complexă completă. Datorită datelor de material omogenizat, structurile trebuie doar să fie simulate la scară macroscopică, făcând astfel simularea compozitelor semnificativ mai puțin costisitoare din punct de vedere computațional.

Cea mai simplă modalitate de a efectua omogenizarea este folosirea unei abordări analitice: regulile de amestecare sau omogenizarea în câmpuri medii. O abordare mai precisă este analiza cu elemente finite a structurii microscalare a materialului, care este abordarea implementată în Material Designer.

De asemenea, trebuie menționat faptul că există un proces invers numit dezomogenizare sau localizare. Pentru a investiga de ce o structură cedează într-o anumită locație, analiza este comutată de la o scară macroscopică la una microscopică. În felul acesta se determină cauza eșecului.

Dacă ambele scări de lungime sunt cuplate integral într-o simulare numerică, se numește simulare multi-scalară. Cea mai obișnuită abordare este adesea numită FE2, deoarece se realizează o simulare cu elemente finite microscopică pentru fiecare punct de integrare al unei simulări cu elemente finite macroscopice. În general, simularea multi-scalară este foarte costisitoare din punct de vedere computațional și ar trebui evitată, dacă este posibil. În schimb, ANSYS Material Designer efectuează un singur pas de pre-procesare complex din punct de vedere computațional, care conduce la un material omogenizat cu caracteristici variabile și are ca rezultat o simulare macroscopică care este semnificativ mai puțin costisitoare din punct de vedere computațional.

În toate metodele de simulare descrise, există o ipoteză de separare a scării. Structurile microscalare trebuie să fie semnificativ mai mici decât cele macroscalare. Dacă această ipoteza este încălcată, micro-scara și macro-scara nu pot fi modelate independent. Cu toate acestea, această ipoteză este rezonabilă atât pentru materiale compozite, cât și pentru imprimarea 3D și se utilizează în foarte multe calcule.

Limitări

ANSYS Material Designer are următoarele limitări cunoscute:

• Funcția “Undo/Redo” nu este acceptată;
• O singură celulă Material Designer poate fi conectată simultan la o celulă Engineering Data. O soluție temporară este să se preia manual materiale omogenizate și să se importe direct în Engineering Data, dacă se dorește utilizarea mai multor materiale create cu Material Designer;
• Utilizarea unor modele periodice discretizate nu este acceptată dacă avem de-a face cu mesh structurat sau neconform;
• Material Designer nu respectă opțiunea “Suppress for Physics”;
• Materialele complet anizotropice variabile proiectate cu Material Designer nu pot fi utilizate automat în analizele secvențiale (multiple), însă ele pot fi definite totuși manual.