Сравнительный анализ результатов статических расчетов композитной панели крыши в пакетах

1.

Сравнительный анализ результатов статических
расчетов композитной панели крыши в пакетах Ansysи
Nastran
ЕМП Лимузин
18/04/24

2.

Характеристики материала, принятые в расчёте
ЕМП Лимузин
Результаты испытаний имеются только для сформованного пакета слоёв, использующегося в панели крыши, и только на растяжение
в продольном и поперечном направлениях. Поскольку данной информации недостаточно для проведения расчёта, а также поскольку
в соответствии со схемой укладки пакет слоёв неодинаков по всей поверхности крыши, были смоделированы проведённые
испытания на растяжение и путём варьирования свойств и толщины слоёв получены результаты, совпадающие с
экспериментальными. Ниже показана модель образца и граничные условия, моделирующие испытания на растяжение.
2

3.

Характеристики материала, принятые в расчёте
ЕМП Лимузин
Различие составило 0,04% для продольного и 0,6% для поперечного направлений . В результате получены свойства
материалов, использовавшиеся в расчёте. Свойства, которые получить таким образом было невозможно, приняты на
основании информации об аналогичных материалах, в т.ч. из библиотеки материалов Ansys. Сравнение усреднённых
экспериментальных данных и результатов расчёта приведено ниже.
3

4.

Характеристики материала, принятые в расчёте
ЕМП Лимузин
Биаксиальная (+45/-45) ткань представляет собой две не переплетённые между собой однонаправленные ленты, расположенные
под соответствующими углами. Поскольку моделировалась она таким же образом, определялись характеристики однонаправленной
ленты.
Модули упругости, ГПа
Коэффициенты Пуассона
Модули сдвига, ГПа
Материал
Углеткань однонаправленная Сва-11123 ACM C130P
Углеродная ткань-1270-(+45/-45)-300 биаксиальная См42010
Углеткань саржа 600г/м2 Сва-12153 АСМ С600Т
Углемат UMT-NW-100 из путанного волокна
Сотовый заполнитель Soric TF
Толщина слоя, мм
EX
160
EY
3,56
EZ
3,56
μXY
0,27
μYZ
0,42
μXZ
0,27
GXY
5000
GYZ
3080
GXZ
5000
121
3,56
3,56
0,27
0,4
0,27
4700
3100
4700
0,167
65
65
3,7
0,0884
3,56
0,04
0,3
0,3
3300
0,3
0,3
Пределы прочности, МПа
при сжатии
σXC
σYC
σZC
704
68
68
893
68
68
437
437
150
68
4
2700
1,423
0,034
2700
0,2
0,13
2
Материал
Углеткань однонаправленная Сва-11123 ACM C130P
Углеродная ткань-1270-(+45/-45)-300 биаксиальная См-42010
Углеткань саржа 600г/м2 Сва-12153 АСМ С600Т
Углемат UMT-NW-100 из путанного волокна
Сотовый заполнитель Soric TF
Материал
Углеткань однонаправленная Сва-11123 ACM C130P
Углеродная ткань-1270-(+45/-45)-300 биаксиальная См-42010
Углеткань саржа 600г/м2 Сва-12153 АСМ С600Т
Углемат UMT-NW-100 из путанного волокна
Сотовый заполнитель Soric TF
при растяжении
σXT
σYT
σZT
1632
80
80
1979
80
80
600
600
80
90
7
при растяжении
εXT
εYT
εZT
1,43
0,26
0,26
0,92
0,31
0,31
0,92
0,92
0,78
Предельные деформации, %
при сжатии
εXC
εYC
εZC
0,6
1,46
1,46
0,53
1,72
1,72
0,84
0,84
1,1
3,4
10
τXY
80
100
120
γXY
1,6
1,6
2
при сдвиге
τYZ
66
66
66
7
при сдвиге
γYZ
1,2
1,4
1,5
0,127
τXZ
80
100
66
γXZ
1,6
1,6
1,5
4

5.

Моделирование выкладки слоёв композита
ЕМП Лимузин
В Ansys Composite PrepPost
отображается только толщина,
формируемая слоями композита,
поэтому остальные детали имеют
толщину 0. Толщины прочих
поверхностных тел и материалы
импортировались в Ansys Mechanical
из файла Nastran.
Как можно видеть, в модели
присутствуют области, сильно
различающиеся по толщине. Это
происходит за счёт изменений в
выкладке, поэтому принимать для
всего материала крыши одинаковые
свойства было бы неверно.
5

6.

Модель крыши
ЕМП Лимузин
КЭМ-модель крыши, а также контакты и
закрепления импортированы из Nastran.
Данная модель включает себя:
- 331141 узлов;
- 281794 элементов.
Модель крыши включает в себя поперечные
балки
6

7.

ЕМП Лимузин
Расчёт на снеговую нагрузку
7

8.

Граничные условия
ЕМП Лимузин
В Ansys к панели крыши приложено гидростатическое
давление. Свободная поверхность жидкости
расположена на 100 мм выше верхней точки крыши.
В Nastran к панели крыши приложено распределенное
давление в 1 кПа, что соответствует удельной нагрузке
1000Н/мм2
8

9.

Перемещения
ЕМП Лимузин
Результат в Nastran
Результат в Ansys
Линейный анализ. Наибольший прогиб 6,22
мм
Наибольший прогиб 6,09
мм
Нелинейный анализ. Наибольший прогиб
8,84 мм
9

10.

ЕМП Лимузин
Расчёт на локальное продавливание
10

11.

Граничные условия
ЕМП Лимузин
На рисунке приведены положения индентора, для которых проводился расчёт. Между поверхностью крыши и индентором
задавался контакт типа Frictionless. К индентору прикладывалась сила 150 Н, направленная по нормали к его поверхности.
11

12.

Перемещения, положение индентора 1
ЕМП Лимузин
Результат в Ansys
Результат в Nastran
Наибольший прогиб 1,97
мм.
Наибольший прогиб 1,96
мм.
160
Нагрузка, Н
140
120
С Балками
100
Граничная линия
80
60
40
20
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Перемещение по оси Z, мм
12

13.

Перемещения, положение индентора 2
ЕМП Лимузин
Результат в Ansys
Результат в Nastran
Наибольший прогиб
2,40 мм
160
140
Нагрузка, Н
120
100
Наибольший прогиб
2,58мм
Граничная линия
С балками
80
60
40
20
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Перемещение по оси Z, мм
13

14.

Перемещения, положение индентора 3
ЕМП Лимузин
Результат в Ansys
Результат в Nastran
Наибольший прогиб 3,15 мм
Наибольший прогиб 3,10 мм
160
140
Нагрузка, Н
120
100
80
Граничная линия
С балками
60
40
20
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2
Перемещение по оси Z, мм
14

15.

Перемещения, положение индентора 4
ЕМП Лимузин
Результат в Ansys
Результат в Nastran
Наибольший прогиб 2,54
мм
Наибольший прогиб 2,53
мм
160
140
Граничная линия
Нагрузка, Н
120
С балками
100
80
60
40
20
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
Перемещение по оси Z, мм
15

16.

Перемещения, положение индентора 5
ЕМП Лимузин
Результат в Ansys
Результат в Nastran
Наибольший прогиб 1,20 мм
Наибольший прогиб 1,15
мм
160
140
Граничная линия
Нагрузка, Н
120
Ряд1
100
80
60
40
20
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Перемещение по оси Z, мм
16

17.

Перемещения, положение индентора 6
ЕМП Лимузин
Результат в Ansys
Результат в Nastran
Наибольший прогиб 2,19 мм
Наибольший прогиб 2,21
мм
160
Нагрузка, Н
140
120
Граничная линия
100
С балками
80
60
40
20
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
Перемещение по оси Z, мм
17

18.

Перемещения, положение индентора 7
ЕМП Лимузин
Результат в Ansys
Результат в Nastran
Наибольший прогиб 2,76 мм
160
Наибольший прогиб 2,97
мм
140
Нагрузка, Н
120
100
Граничная
линия
80
60
40
20
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Перемещение по оси Z, мм
18

19.

Перемещения, положение индентора 8
ЕМП Лимузин
Результат в Nastran
Результат в Ansys
Наибольший прогиб 1,26
мм
Наибольший прогиб 1,44
мм
160
140
Граничная линия
Нагрузка, Н
120
С балками
100
80
60
40
20
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Перемещение по оси Z, мм
19

20.

Выводы
Перемещения, мм
Снеговая нагр.
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
Ansys
6,09
1,97
2,40
3,10
2,54
1,20
2,19
2,76
1,26
Nastran
6,22/8,84*
1,96
2,58
3,15
2,53
1,15
2,21
2,97
1,44
Изменение, Δ +2,1%/+45%* -0,5% +7,5%
*Под дробью показан результат нелинейного анализа
+1,6%
-0,4%
-4,17% +0,9%
+7,6%
+14,2
%
1. При расчете в MSC Nastran композитной панели крыши лимузина на снеговую нагрузку, величина перемещений и картина распределения
полей перемещений сопоставимы с результатами Ansys при линейном расчете Nastran. Однако при нелинейном расчете Nastran наблюдается
значительное возрастание перемещений и изменение характера распределения их полей.
2. При расчете на локальное продавливание индентором панели крыши в большинстве расчетных случаев результаты сопоставимы. Однако для
точек P2, P7 и P8 изменения результатов довольно значительны, что может объясняться неточностью соответствия позиционирования
индентора в модели Nastran в сравнении с моделью Ansys.
3. Картины полей перемещений при расчетах на локальное продавливание в Ansys и Nastran сопоставимы.
20

21.

Спасибо за внимание!
Готовы ответить на ваши вопросы.
А.Н. Шумакова, [email protected]