Виртуальный инжиниринг

PAM-DISTORTION

В рамках международного проекта MAAXIMUS (с участием 57 компаний из 18 стран) был создан продукт PAM-DISTORTION для моделирования процессов коробления композитных изделий. В сентябре 2013 года состоялся официальный релиз данного продукта.

При производстве высокоответственных композитных деталей стоит необходимость обеспечения точных допусков. Под воздействием тепловых полей в процессе производства происходит искажение формы, что вызывает трудности при сборке и влияет на характеристики готового изделия. На сегодняшний день такие данные получают из физических экспериментов.

Новое решение от компании ESI Group позволяет сократить количество натурных испытаний. Моделирование процессов производства композитного изделия в продукте PAM- DISTORTION включает в себя два основных этапа:

Расчет процесса полимеризации изделия

Вычисление степени полимеризации изделия (анализ экзотермической реакции отверждения) с учетом температурного режима нагрева изделия.

Прогнозирование коробления изделия

Проведение термохимического анализа напряжений в изделии с учетом изменения температуры и истории процесса полимеризации.

Моделирование в продукте PAM-DISTORTION дает возможность оценить такие производственные дефекты как:

  • Избыточные остаточные напряжения.
  • Расслоения и искажения формы еще до получения первого физического прототипа.
  • И позволяет контролировать форму композитного изделия.

Все возможные дефекты можно минимизировать путем изменения процесса производства и варьированием параметров:

  • Тип материала.
  • Последовательность укладки.
  • Проектирование инструментов для термического режима производства.
  • Использование твердотельных моделей при проектировании.
  • Моделирование термических и механических взаимодействий с формой.

В зависимости от имеющихся входных данных пользователь проводит различные типы анализа в продукте PAM-DISTORTION. Для каждого типа расчета используются свои допущения. Основные подходы к моделированию приведены в табл. 1.

Табл. 1. Подходы к моделированию в продукте PAM-DISTORTION

Входные данные

PAM-DISTORTION

Допущения

Температурный цикл нагрева изделия. Теоретическая история полимеризации

Коробление: анализ напряжений. Механический анализ взаимодействия с оснасткой

Равномерная температура и степень полимеризации по толщине. Не учитывается выделение тепла при полимеризации. С учетом или без учета химической усадки.

Температурный цикл в печи

Полимеризация: термический и химический анализ. Возможно взаимодействие с оснасткой (термическое). Коробление: используя значения температур и результаты полученные при расчете процесса полимеризации  - проводится анализ напряжений.

Значение температуры на поверхности изделия равна заданной температуре

Данные получены из PAM-RTM. Вычисленные поля температур и история процесса полимеризации.

Коробление: используя значение температур полученных в продукте PAM-RTM и используя цикл полимеризации проводится анализ напряжений. Механический анализ взаимодействия с оснасткой

 

Автоклавирование. Вычисленные поля температур и история процесса полимеризации.

Коробление: используя значение температур полученных в процессе автоклавирования и используя цикл полимеризации проводится анализ напряжений. Механический анализ взаимодействия с оснасткой

 

При проведении термохимического анализа перед пользователем стоят следующие задачи:

  • Прогнозирование температуры и степени полимеризации в композитном изделии.
  • Оптимизация нагрева оснастки.
  • Анализ проблем производства и наличие температурных пиков.

Рис.1. Термо-химический анализ конструкции.

Основные этапы моделирования в продукте PAM-DISTORTION представлены на следующей схеме:

Рис. 2. Схема проведения расчета в программе PAM-DISTORTION

В качестве исходных данных указывается значения температур воздействующих на исследуемое композитное изделие. Первым шагом проводится расчет термического процесса и полимеризации. Полученные на данном этапе результаты температуры и степени полимеризации передаются далее на следующий этап термомеханического анализа. В результате пользователь получает результаты деформации формы и значение остаточных напряжений.

В зависимости от моделируемого процесса (полимеризация или коробление) пользователю необходимо иметь определенные входные данные, основные из которых указаны в табл. 2:

Табл. 2. Входные данные

Расчет процесса полимеризации

Прогнозирование коробления изделия

  • Содержание волокна, Vf
  • Плотность, ρ
  • Теплопроводность, λ11, λ22,λ33
  • Удельная теплоемкость, Сp
  • Энтальпия, H
  • Функция изменения степени полимеризации от температуры, dα/dt

 

  • Данные для расчета процесса полимеризации
  • Модули Юнга, E11, E22, E33
  • Модули сдвига, G11, G22, G33
  • Коэффициенты Пуансона,
  • Коэффициенты теплового расширения, α11, α22, α33
  • Коэффициенты химического сжатия, β11, β22, β33
  • Температура стеклования, Tg
  • Степень отверждения смолы, Xgel

Одним из примеров использования PAM-DISTORTION является его применение для моделирования процессов полимеризации и коробления обшивки крыла SPIRIT в рамках международного проекта MAAXIMUS.

Рис. 8. Модель обшивки крыла SPIRIT.

В рамках проекта стояла задача разработать оптимальную технологию производства многокомпонентного композитного изделия. Процесс полимеризации изделия и возникающие при этом коробление и формоизменение детали прогнозировались в продукте PAM-DISTORTION. Численное моделирование позволило оценить:

  • Температурные пики, высокие остаточные напряжения, коробления.
  • Оценка процесса полимеризации
  • Компенсация деформации за счет оснастки

Основные этапы моделирования в PAM-DISTORTION отражены в следующей схеме:

Расчет процессов полимеризации и коробления проводился на 3D модели. Исследуемое изделие – обшивка крыла:

Рис. 9. 3D модель обшивки крыла SPIRIT.

Конечно-элементная модель создавалась в продукте Visual-Mesh (75000 элементов).

Рис. 10. Конечно-элементная модель обшивки крыла.

Приведенные в примере данные по материалам и нагрузкам не соответствуют истинным и выполнены специально для данной демонстрации.

Рис. 11. Назначение материала на конструкцию.

На приведенных ниже рисунках представлены основные этапы проектирования и полученные результаты в продукте PAM-DISTORTION: