Analizza strutture in composito con il Composite Materials Module

Modellazione di strutture in composito per una progettazione migliorata del prodotto

Un materiale composito è un materiale eterogeneo composto da due o più componenti integrati per ottenere prestazioni strutturali superiori. Grazie alla resistenza migliorata e al peso ridotto rispetto ai materiali convenzionali, i materiali compositi hanno molte potenziali applicazioni in diversi campi. Le ricerche in corso nel settore sono volte a incorporare funzionalità come rilevamento, attuazione, calcolo e comunicazione, per lo sviluppo di materiali noti come materiali compositi intelligenti. Una comprensione approfondita del comportamento di tali materiali è necessaria per progettare le strutture in composito in modo più accurato e affidabile.

Software per l'analisi di laminati in composito

Il Composite Materials Module è un prodotto aggiuntivo dello Structural Mechanics Module e offre strumenti di modellazione e funzionalità su misura per l'analisi di laminati in composito. Alcuni esempi di laminati in composito sono plastica fibrorinforzata, piastre laminate e pannelli sandwich. Questi materiali sono ampiamente utilizzati nella produzione di componenti di aeromobili e di veicoli spaziali, pale di turbine eoliche, componenti di automobili, edifici, scafi di imbarcazioni, biciclette e attrezzature di sicurezza. Il Composite Materials Module utilizza la tecnologia specializzata Layered Material e fornisce due diversi approcci per modellare accuratamente i gusci compositi: layerwise theory ed equivalent single layer theory.

Inoltre, combinando il Composite Materials Module con altri moduli della suite di prodotti COMSOL®, è possibile includere nella simulazione dei compositi effetti di trasferimento termico, elettromagnetismo e fluidodinamica, tutto nel medesimo ambiente di simulazione.

Cosa puoi modellare con il Composite Materials Module

Il modulo Structural Mechanics fornisce interfacce fisiche predefinite con impostazioni specializzate per configurare ed eseguire più facilmente le analisi. Il Composite Materials Module include interfacce e modelli di materiali aggiuntivi per simulare i laminati compositi, a seconda della teoria di laminazione più appropriata e del tipo di analisi da eseguire. Oltre alle normali analisi strutturali (stazionario, autofrequenza, transitoria, buckling e altre), è possibile eseguire anche l'analisi di rottura del primo strato e la modellazione multiscala. Poiché sono materiali ingegnerizzati, i materiali compositi sono soggetti a diversi tipi di modalità di rottura. Diventa quindi essenziale eseguire vari tipi di analisi di rottura per i laminati compositi.

È anche possibile ottimizzare le dimensioni geometriche, il layup composito, gli spessori degli strati, gli orientamenti delle fibre e le proprietà del materiale, grazie al prodotto aggiuntivo Optimization Module.

Ecco maggiori dettagli sulla modellazione con il Composite Materials Module.

L'interfaccia Layered Shell, disponibile in 3D, fornisce un approccio basato sulla teoria layerwise (LW) per un'analisi dettagliata dei laminati compositi. Le condizioni al contorno possono essere posizionate sui singoli strati e sulle singole interfacce tra gli strati. I materiali nei singoli strati possono essere non lineari. È supportato anche un diverso ordine di discretizzazione per il campo di spostamento nella superficie di riferimento e nella direzione dello spessore trasversale. I risultati includono lo stress completo 3D e le distribuzioni di deformazione, in modo da poter calcolare, per esempio, stress interlaminari e studiare le variazioni di stress all'interno di ciascuna lamina.

La formulazione di questa interfaccia fisica la rende adatta allo studio gusci compositi da spessi a moderatamente sottili, con un numero limitato di strati.

Modello di un laminato composito semplicemente appoggiato. Sforzi in un laminato composito a tre strati semplicemente appoggiato sottoposto a flessione.

Con il Composite Materials Module, l'interfaccia Shell viene ampliata con un nuovo modello di materiale: Layered Linear Elastic Material. Si basa sulla teoria della deformazione di taglio del primo ordine (FSDT), che è una classe di teoria equivalent single layer, in cui tutti gli strati sono aggregati in un materiale equivalente. I risultati includono lo stress completo 3D e le distribuzioni di deformazione, in modo da poter studiare, per esempio, le variazioni di sforzo all'interno di ciascuna lamina.

Questo modello di materiale, adatto per shell sottili o moderatamente spesse, può comprendere molti strati senza mostrare un impatto significativo sulle prestazioni.

Modello di una pala in composito per turbine eoliche. Sforzi in una pala in composito per turbine eoliche, costituita da uno spesso strato di schiuma di PVC nel core circondato da diversi strati di composito in fibra di vetro su ciascun lato, rivestiti esternamente in fibra di carbonio.
L'analisi di un laminato composito è complessa, poiché implica diverse scale geometriche. Le analisi eseguite su due diverse scale sono note come analisi di micromeccanica e analisi macromeccanica.

In generale, una lamina è costituita da fibre e matrice. Le proprietà omogeneizzate di una lamina dipendono dalle proprietà dei costituenti e dalla frazione di volume in cui i componenti sono mescolati. Le analisi micromeccaniche riguardano la modellazione della singola lamina o la sua cella unitaria rappresentativa (Representative Volume Element, RVE) con materiali fibroso e matrice. Lo scopo di questa analisi è quello di calcolare le proprietà del materiale omogeneizzato di una lamina.
Modello micromeccanico di un composito fibroso. Cella unitaria rappresentativa (RVE) per un composito di fibre con una frazione di volume di fibra del 20%. Il modello viene utilizzato per determinare un materiale anisotropo equivalente.

La crisi per instabilità è un fenomeno comune nei compositi e, quindi, un importante criterio di progettazione. È fondamentale poter progettare un laminato composito in grado di resistere a carichi di compressione o torsione. Nel software COMSOL Multiphysics®, entrambe le teorie dei laminati possono essere utilizzate per calcolare il moltiplicatore di carico critico di instabilità di un laminato composito.

Modi di instabilità in un laminato composito con diversi orientamenti delle fibre. Modalità di instabilità per lo stesso laminato composito con diversa scelta di orientamenti delle fibre nella lamina.

Un laminato composito è costituito da molti strati incollati o laminati insieme. In condizioni di carico diverse (in particolare, carichi dinamici), il legame tra due strati può rompersi in un'area specifica. La modellazione dell'area delaminata diventa fondamentale per prevedere con precisione la risposta di un laminato composito danneggiato.

Con COMSOL Multiphysics®, si può ottenere questo risultato utilizzando l'interfaccia Layered Shell basata sulla teoria layerwise. Qui, si può utilizzare il nodo Thin Elastic Layer, Interface per modellare la regione delaminata tra diversi strati di un laminato composito.

Impedenza in un laminato composito con e senza delaminazione. Impedenza di un laminato composito a diverse frequenze. I risultati vengono confrontati per un laminato con e senza regioni debonded (mostrato nell'inserto).

L'interfaccia Layered Shell può incorporare modelli di materiali non lineari in un composito stratificato quando viene utilizzata in combinazione con il Nonlinear Materials Module. È anche possibile aggiungere diversi modelli di materiale non lineare in diversi strati di un laminato composito.

I materiali compositi, modellati utilizzando l'interfaccia Layered Shell o il nodo Layered Linear Elastic Material dell'interfaccia Shell, possono essere accoppiati con altri elementi strutturali in un sistema multibody, in combinazione con il Multibody Dynamics Module.

Accoppiamenti multifisici per analisi complete di materiali compositi

In molte situazioni, un laminato composito è progettato in base a requisiti strutturali, ma ci sono casi in cui devono essere presi in considerazione anche altri fenomeni fisici. Esistono due tipi di interazione fondamentalmente diversi tra la meccanica del laminato e altri processi: quelli che si verificano all'interno degli strati laminati e quelli che si verificano al contorno.

Interazioni termiche ed elettromagnetiche

Alcuni processi fisici si verificano all'interno del laminato, dove gli effetti termici ed elettrici sono significativi, ed è importante progettare il laminato in base alla risposta combinata. La tecnologia layered material implementata in COMSOL consente di utilizzare interfacce fisiche diverse nello stesso materiale stratificato, e di poter risolvere tutti i fenomeni fisici simultaneamente, compresi gli accoppiamenti. Dal punto di vista della progettazione strutturale, entrambe le teorie dei laminati possono essere accoppiate alla modellazione termica ed elettrica dei laminati compositi. Un esempio è dato da riscaldamento per effetto Joule ed espansione termica di un laminato composito.

Per accedere a questi accoppiamenti multifisici, è necessario disporre dell'Heat Transfer Module e dell'AC/DC Module, rispettivamente per le interazioni termiche e per quelle elettromagnetiche.

Interazioni acustiche e fluidodinamiche

In altri processi fisici il laminato funge da contorno per un dominio 3D in cui si verifica un fenomeno rilevante. Il materiale Layered Linear Elastic Material, basato sulla teoria a singolo strato nell'interfaccia Shell, consente di accoppiare il laminato composito con un fluido circostante utilizzando il nodo di accoppiamento multifisico Fluid-Structure Interaction. Questa funzionalità è disponibile per flusso laminare e per flusso turbolento in presenza del CFD Module.

Allo stesso modo, per modellare un problema vibroacustico è possibile accoppiare il laminato composito con un dominio acustico circostante usando il nodo di accoppiamento multifisico Acoustics-Structure Boundary, disponibile in combinazione con l'Acoustics Module.

Espansione termica in un composito. Distribuzione dello sforzo causata dal riscaldamento in un composito a sei strati.

Strumenti specializzati per la definizione e la visualizzazione di laminati

I materiali compositi sono costituiti da vari strati con diversi materiali, orientamento delle fibre, spessore e così via. Per visualizzare il lay-up e fornire le informazioni nel modo migliore, il Composite Materials Module offre una serie di strumenti specializzati. Inoltre, poiché i laminati compositi sono di natura anisotropa e generalmente eterogenei nella direzione dello spessore trasversale, di solito non è sufficiente valutare i risultati solo sulla superficie di riferimento. È necessario valutare i risultati in ogni strato e nella direzione dello spessore.

Funzionalità Layered Material

Il nodo Layered Material può essere utilizzato per definire un layup in cui ogni livello ha i propri dati di materiale, spessore e orientamento principale. I materiali stratificati definiti in questo modo possono essere combinati utilizzando il nodo Layered Material Stack per creare materiali stratificati più complessi. Ciò risulta particolarmente utile quando il layup è ripetitivo o quando si modella il drop-off. È possibile inoltre definire le proprietà del materiale per le interfacce tra gli strati.

Grafici di anteprima degli strati

Per visualizzare i dati di input di un layup composito, sono disponibili due grafici di anteprima: Layer Stack Preview e Layer Cross Section Preview. Il grafico di anteprima Layer Stack Preview mostra il numero di strati e gli orientamenti principali delle fibre in ogni strato. Il grafico Layer Cross Section Preview mostra lo spessore di ogni strato insieme alla posizione del piano di riferimento.

Giunzione di materiali stratificati

Quando si uniscono due diversi laminati in una configurazione affiancata o si modella una situazione di drop-off di uno strato, è possibile utilizzare il nodo Layered Material Stack, insieme al nodo Continuity, nell'interfaccia Layered Shell. L'area di connessione dei due laminati può essere controllata attraverso diverse opzioni. Gli strati collegati con entrambi i laminati possono essere visualizzati utilizzando il grafico di anteprima Layer Cross Section Preview disponibile nel nodo Continuity.

Set di dati Layered Material

Anche se il laminato composito è modellato come una superficie geometrica bidimensionale, è possibile visualizzare i risultati su una geometria con spessore finito utilizzando il set di dati Layered Material. In questo modo è anche possibile scalare la geometria nella direzione dello spessore per una migliore visualizzazione dei laminati sottili. Utilizzando questo set di dati è possibile mostrare i risultati come superficie su una geometria 3D o come sezioni nella geometria 3D.

Grafico Layered Material Slice

Il grafico Layered Material Slice offre maggiore libertà per la creazione di sezioni in un laminato composito. È utile nei seguenti casi:

  • Creazione di una sezione attraverso uno o più strati selezionati
  • Creazione di una sezione attraverso alcuni o tutti i livelli, ma non necessariamente posizionandoli nella direzione dello spessore
  • Analisi di uno strato particolare nel dettaglio e creazione di una sezione in una particolare posizione all'interno di uno strato che non sia il piano medio

Grafico Through Thickness

Il grafico Through Thickness consente di visualizzare la variazione di qualsiasi quantità in una posizione specifica sulla superficie attraverso lo spessore del laminato. È possibile selezionare uno o più punti geometrici sulla superficie o, se desiderato, creare set di dati contenenti punti arbitrari. È anche possibile specificare direttamente le coordinate del punto. A differenza di altri grafici, la quantità analizzata viene tracciata sull'asse x, mentre la coordinata dello spessore viene tracciata sull'asse y.

Layup di un materiale stratificato e il relativo grafico di anteprima dello stack. Il layup di un materiale stratificato, insieme a un diagramma di anteprima dello stack che mostra gli orientamenti principali delle fibre di ogni strato.

Sezione trasversale di un materiale stratificato con la posizione del piano di riferimento. La sezione trasversale di un laminato composto da cinque sub-laminati. Vengono visualizzati lo spessore di ogni strato e la posizione del piano di riferimento.
Connessione tra due materiali stratificati. La connessione tra due materiali stratificati collegati in configurazione affiancata. Viene mostrato il drop-off.


Diversi tipi di visualizzazione di un laminato spesso a tre strati che fanno uso del set di dati materiale stratificato. Diversi tipi di visualizzazione di un laminato spesso a tre strati che fanno uso del set di dati materiale stratificato.

Sforzi in tutti gli strati di un composito. Sforzi in tutti gli strati di un tubo progettato come un laminato composito a cinque strati.
Grafico nello spessore che mostra le tensioni trasversali di taglio.

Tensioni trasversali di taglio in un laminato a tre strati; confronto tra l'interfaccia Layered Shell e la soluzione 3D esatta.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

Basta cliccare sul pulsante "Contatta COMSOL", inserire i propri contatti ed eventuali commenti o domande specifiche, e inviare la richiesta. Riceverete una risposta entro un giorno lavorativo.

Il prossimo passo?
Richiedi una Dimostrazione
del Software