Material Designer - новый инструмент ANSYS для работы с материалами

Обновление Ansys 19.2 упрощает процесс создания материалов на основе микромодели при помощи нового модуля ANSYS Material Designer.

Численное моделирование композиционных или имеющих структуру материалов зачастую осложняется значительной масштабной разницей. Хотя метод конечных элементов может быть использован для подробного моделирования структуры материала (включающей к примеру отдельные волокна или нити) в макромодели, естественно это будет нецелесообразным. Количество элементов было бы астрономически большим, и вычисление было бы невозможным, как на современном, так и на оборудовании ближайшего будущего.

Стандартным подходом к устранению проблемы масштаба в анализе конечных элементов для композиционных материалов, является гомогенизация. Свойства структурного материала усредняются, без использования в вычислениях подробной микроструктуры. С такими данными достаточно макроскопической модели, что значительно снижает ресурсоёмкость вычислений.

Точный подход, включающий анализ микроструктуры материала – подход, реализованный в Material Designer. В Material Designer процесс получения свойств сплошного материала начинается с создания представительной элементарной ячейки. Модель выбирается из доступных вариантов, для которой задаются свойства составляющих материалов. Далее модель разбивается на конечные элементы и подвергается воздействию макроскопических случаев нагружения, для вычисления реакций. По результатам которых определяются свойства для сплошного материала.

Данный инструмент включает следующие типы заготовленных моделей элементарной ячейки: пространственная структура (lattice structure), однонаправленный композит (UD Composite), случайный однонаправленный композит (Random UD Composite), хаотически армированный композит (Chopped Fiber Composite), тканевый композит (Woven Composite), или задаваемая пользователем структура, как показано ниже.

Рисунок 1 - Доступные типы элементарной ячейки

Все, что нужно сделать, это настроить Material Designer и связать его с Engineering Data для импорта вычисленных свойств элементарной ячейки.

Рисунок 2 - Material Designer в проекте Workbench

Material Designer предполагает, что рассматриваемый материал имеет микромасштабную структуру, которую можно описать представительной элементарной ячейкой. Элементарная ячейка – это небольшой объем материала, достаточный для корректного описания макроскопических свойств. В качестве примера приведена пространственная структура типа Octet.

Рисунок 3 - Элементарная ячейка типа Octet

Следует отметить, что можно указать количество повторений элементарной ячейки.

Рисунок 4 - Двукратное повторение ячейки

После задания всех необходимых настроек и построения сетки можно запустить расчет, в котором используются заранее предустановленные случаи нагружения для определения реакций.

Рисунок 5 - Сетка конечных элементов

На основе реакций и вычисляются свойства сплошного материала.

Рисунок 6 - Вычисленные свойства сплошного материала

Вычисленные свойства сплошного материала и геометрические параметры элементарной ячейки могут быть параметризованы, и использованы в оптимизационном исследовании.