Расчет композитной конструкции переменной толщины в SolidWorks Simulation 2010

[petruha256 0]

Задача такая: сделал твердотельную модель лопасти ветротурбины, с учетом толщин (разное количество слоев стеклоткани), с "псевдолонжеронами" и всем прочим.

Сейчас прочность посчитал как для тела, материал задал упругий изотропный (исходя из условия, что основа ткани будет укладываться по направлению максимальных нормальных напряжений +-20 градусов через слой).

Понятно, что это неправильно, однако запасы прочности приличные, мало того, испытывал на разрушение подобную конструкцию и результат вполне сходится с расчетом, который делал аналогичным образом. Однако теперь мне нужно еще посчитать собственные частоты и формы колебаний, чтобы с резонансом не попасть когда дело дойдет до воплощения.

Подскажите, можно ли решить такую задачу, и если да, то как?

[petruha256 0]

Вот так примерно в полуразрезанном виде выглядит модель лопасти.

[ccc44 53]

А в чем вопрос-то? Запускай исследование "Частота". По умолчанию получишь первые пять гармоник. Главное, как, впрочем и при расчете на прочность, правильно закрепить модель. Сойства материала для первого приближения у тебя есть.

[petruha256 0]

Вопрос в том, что в реальности лопасть будет композитная, а считаю я сейчас для непонятно какого материала. По прочности - более-менее соответствует, а вот по частоте - непонятно насколько будет соответствовать. Первая частота получается достаточно близко к рабочей частоте вращения, и если бы расчет с действительностью расходился процентов на 20 - не более, то меня бы это устроило, но как я могу быть в этом уверен, если я знаю, что материал в расчете лишь приблизительно соответствует реальности.

[ccc44 53]

Первая частота получается достаточно близко к рабочей частоте вращения.

Это плохо!

Анизотропию свойств материала нужно и можно учесть, только не зная расчетной схемы трудно что-либо советовать.

[petruha256 0]

...только не зная расчетной схемы трудно что-либо советовать.

А если так? Может что подскажете?

Лопасть.rar

[a_a_a+ 11]

А модель-то нужно делать в поверхностях и считать из как многослойные оболочки.

Там можно назначать углы армирования слоёв и толщины. Тогда программа сама считает эффективные характеристики пакетов.

Но для этого нужно знать структуру пакета и свойства монослоя.

В твердотеле нужно эффективные свойства пакета определять самому. Поскольку схема армирования непостоянна, это долго и нудно. К тому же это нужно уметь делать для материала в трёх направлениях анизотропии. Здесь даже кое-какое образование следует иметь...

[petruha256 0]

Структуру пакета и свойства монослоя я знаю, углы армирования везде разные, поскольку слои не плоские а имеют двойную кривизну и крутку, т.е. направление армирования можно задать лишь приблизительно. a_a_a+ а теперь внимание вопрос: вы заголовок темы читали? Я же и спрашиваю как посчитать многослой, если количество слоев разное - от 4-х до 11-ти.

К тому же это нужно уметь делать для материала в трёх направлениях анизотропии. Здесь даже кое-какое образование следует иметь...

вот я и спрашиваю, как это лучше сделать не просто по осям Х, У, Z а вдоль лопасти, вокруг сечения лопасти и вглубь оболочки?

кое-какое образование как раз имеется, но к сожалению оно в недостаточной мере соответствует задаче, и чтож теперь, можно не надеяться на получение дельного совета?

А модель-то нужно делать в поверхностях и считать из как многослойные оболочки.

То есть нужно собрать модель так, чтобы можно было выделить грани, на которых количество слоев постоянна?

Если да, то насколько адекватно будет рассчитываться стык участков? ведь верхние 4 слоя непрерывные, а утолщение добавляется только с внутренней стороны.

И еще в связи с этим как масса и инерционные силы будут считаться, по толщине оболочки или по модели?

Изменено 8 октября 2011 пользователем petruha256

[a_a_a+ 11]

То есть нужно собрать модель так, чтобы можно было выделить грани, на которых количество слоев постоянна?

Нужно делать в оболочках, чтобы было столько граней, сколько разных толщин и слоёв.

Если да, то насколько адекватно будет рассчитываться стык участков? ведь верхние 4 слоя непрерывные, а утолщение добавляется только с внутренней стороны.

Если так, то нужно оболочой описывать наружную поверхность, а в Simulation есть понятие "смещение слоёв". Через него назначается, что "тело" оболочки "растёт" внутрь!

И еще в связи с этим как масса и инерционные силы будут считаться, по толщине оболочки или по модели?

Это интересный вопрос. По уму, вирутальное смещение должно учитываться при расчёте массово-инерционных характеристик автоматически. Но кто мешает проверить на простой полой балочке. Назначить "смещение" "внутрь" и "наружу". Будут частоты больше во втором случае, значит учитывается...

Нужно делать в оболочках, чтобы было столько граней, сколько разных толщин и слоёв.

Если так, то нужно оболочой описывать наружную поверхность, а в Simulation есть понятие "смещение слоёв". Через него назначается, что "тело" оболочки "растёт" внутрь!

А расёт стыков слоёв - это тема отдельной диссертации :)

Это интересный вопрос. По уму, вирутальное смещение должно учитываться при расчёте массово-инерционных характеристик автоматически. Но кто мешает проверить на простой полой балочке. Назначить "смещение" "внутрь" и "наружу". Будут частоты больше во втором случае, значит учитывается...

[petruha256 0]

Это интересный вопрос. По уму, вирутальное смещение должно учитываться при расчёте массово-инерционных характеристик автоматически. Но кто мешает проверить на простой полой балочке. Назначить "смещение" "внутрь" и "наружу". Будут частоты больше во втором случае, значит учитывается...

Ну в общем, Вашими стараниями объём работ теперь понятен.

Однако этот интересный вопрос еще более интересен - так как при такой проверке смещение наружу по сравнению со смещением внутрь в любом случае даст более высокие частоты, вне зависимости от того, учитывается смещение при расчете массы или нет.

причем, если не учитывается - то частоты вырастут сильнее, чем если учитывается.

Про стык участков - понятно, что вопрос сложный. Вот если знать бы насколько адекватно он рассчитывается, а то может и начинать не стоит.

[a_a_a+ 11]

Однако этот интересный вопрос еще более интересен - так как при такой проверке смещение наружу по сравнению со смещением внутрь в любом случае даст более высокие частоты, вне зависимости от того, учитывается смещение при расчете массы или нет.

причем, если не учитывается - то частоты вырастут сильнее, чем если учитывается.

Про стык участков - понятно, что вопрос сложный. Вот если знать бы насколько адекватно он рассчитывается, а то может и начинать не стоит.

На оба вопроса можно ответить, подобрав простую модель, типа коробки с переменной толщиной, и сравнив результаты по трёхмерной и плоской моделям.

В трёхмерной в явном виде прорисовать слои и сориентировать их (в расчётной программе, разумеется :) ) как надо (принимая во внимание "ориентацию" направлений анизотропии слоёв в базе данных материалов)

Или же есть ещё один, почти халявный :), вариант - купить софт и задать эти вопросы в техподдержку. Они (вопросы) того заслуживают.

Из них самый пикантный - а меняется ли масса (расчётная) полой балочки, моделируемой оболочками, в зависимости от направления смещения слоёв?

Опять-таки, концентрация напряжений и соответствующее уменьшение прочности в зоне стыка - тема отдельного вопроса. Нужно почитать литературу и взять оттуда поправку на уменьшение прочности.

Кстати говоря, получить укладку ткани по траекториям главных напряжений в данном случае "сразу" не получится - эти самые траектории зависят от схемы армирования. Так что процесс будет итерационным.

Это для канонических систем, типа оболочки вращения под давлением или пластинки при простом нагружении главные напряжения (напавления и, иногда, величины) однозначно предсказуемы, а здесь - нет!

[ccc44 53]

Однако этот интересный вопрос еще более интересен - так как при такой проверке смещение наружу по сравнению со смещением внутрь в любом случае даст более высокие частоты, вне зависимости от того, учитывается смещение при расчете массы или нет.

причем, если не учитывается - то частоты вырастут сильнее, чем если учитывается.

Хочется еще сказать, что собственные частоты, полученные при постоянной аэродинамической нагрузке - не единственный, а, может быть и не главный критерий динамической прочности лопасти. Судя по угловой скорости и толщине профиля на конце не исключены изгибно-крутильные колебания типа флаттер. Для такого расчета уж наверняка потребуется специальный софт и соответствующие консультации специалистов…

[petruha256 0]

Судя по угловой скорости и толщине профиля на конце не исключены изгибно-крутильные колебания типа флаттер. Для такого расчета уж наверняка потребуется специальный софт и соответствующие консультации специалистов…

Ну, на счет возникновения флаттера - не страшно, частота крутильных колебаний уж очень высока получается, и по расчету без учета демпфирования до сходимости частот (крутильных и изгибных) ой как далеко. Так что более детально считать не буду.

Профиль на самом деле достаточно толстый - 16%.

Коллеги делают лопасти на бОльшую быстроходность и с более тонким профилем, никто пока флаттер не поймал, есть конечно специально добиваются флаттера на определенных оборотах (для ограничения частоты) - так там углепластик и лопасти - как расходный материал, при том что вместо трех лопастей нормальной ширины делают по 9 штук узких. Но нам, самодельщикам делать лопасти в качестве расходников совсем не резонно.

В общем поколдовал я со слоями и с анизотропией, отбросив совсем смешные результаты - получил, в самом худшем случае первую частоту в 1,4 раза ниже, чем для изотропного материала.

А вообще интересные казусы получаются, когда оболочкой строишь балку (толщина 5% от поперечного размера сечения) о прога выдает такие формы колебаний (ну и частоты почти килогерцы), что диву даешься, чуть поменял ориентацию слоев и всё нормально - считает как балку и частоты уже герцами измеряются.

[petruha256 0]

Решил продолжить расчеты по данному вопросу,

в результате различных попыток пришел к выводу, что для получения адекватных результатов нужно спроектировать "эквивалент

сечения"

т.е. подобрать такое сечение лопасти из некоего изотропного материала, которое имело бы такие же как и композитная лопасть:

- значения собственных частот колебаний ;

- изгибную жесткось (прогиб консоли равной длинны под равной нагрузкой);

- положение нейтральной линии деформации (центр крутильной жесткости);

- одинаковую массу.

во вложении разместил сборку прямоугольного участка лопасти в том виде, в котором она более-менее похожа на то, что будет при изготовлении.

теперь о главном - как провести симуляцию (правильно построить сетку и приложить нагрузки)

все элементы, отмеченные разными цветами имеют разные свойства:

-анизотропный стеклопластик

-пенопласт

-клеевое соединение

-наполнитель

Частные вопросы такие:

- какими гранями задавать оболочки для анизотропных элементов?

- как между собой увязать элементы сборки, которая по сути состоит из оболочек и твердых тел, которые между собой соединены склеиванием эпоксидной смолой?

- где взять информацию по расчету свойств монослоя стеклопластика?

Для свойств монослоя я могу посчитать плотность и пределы прочности и модули растяжения в двух взаимно перпендикулярных направлениях по волокнам, а вот как быть с модулем сдвига и с прочностью и модулем упругости поперек слоя а также с коэффициентом пуассона во всех плоскостях - не знаю, может носом ткнет кто-нибудь?

В уроках ничего путевого не нашел.

Помогите пожалуйста.

исходные_для_расчета_прочности.rar

[FSA-FSA 249]

Лучше смотрите в

- CATIA СV5 - CPD и расчет композитов - проще

- Abaqus или MSC.Patram\Nastran Laminate modeler - правильнее

В Солидворксе можно только с помощью аддона - SIMULAYT - смоделировать композит... не знаю правда передаст ли он свойства в COSMOS, но можно попробовать экспортировать Layup и попробовать наложить (MAP) его на КЭ сетку например в ANSA... Но это так ... догадки и рассуждения. Лучше как выше поступить

[ccc44 53]

теперь о главном - как провести симуляцию (правильно построить сетку и приложить нагрузки)

Помогите пожалуйста.

Сетка не строится из-за интерференции на верхней оболочке:

[Fedor 1 616]

"По прочности - более-менее соответствует, а вот по частоте - непонятно насколько будет соответствовать" - если понимать "по прочности" как по деформациям, то есть жесткости С , то остается, чтобы и по массе M соответствовало, тогда из C U=a M U следует, что и собственные числа и вектора должны соответствовать...

[petruha256 0]

Я тоже на такой вариант расчитывал, но в угоду технологичности и возможности сооружения более крупной лопасти, принцип конструкции лопасти существенно изменился. И вот теперь нет возможности оценить соответствие реальной конструкции её упрощенному эквиваленту.

Когда я писал, что по прочности соответствует, я имел ввиду то, что предел прочности на изгиб близкий.

Расчет трубы с изотропным материалом дает примерно в полтора раза большую частоту чем с ортотропным, а поскольку лопасть-не труба то возникли все эти вопросы.