Rezultati FEM analize vlaknasto ojačanih materijala korišćenjem Moldflow i Abaqus

Sa korišćenjem Moldflow i Abaqus-a dobijaju se precizni rezultati FEMa za vlaknima ojačane materijale, koji su odlična zamena lakim metalima i delovima od lima, u stalnoj težnji za smanjenje mase kritično opterećenih delova, kao što su kućišta uljnih filtera i nosači motora. Sa klasičnom strukturalnom FEM analizom, rezultati su loši zato što nije uzet u obzir uticaj orjentacije vlakana. Pošto to uzrokuje anizotropiju materijala, moramo računati na strani sigurnosti ako ne znamo stvarnu orjentaciju vlakana.

U TECOSu smo davno uvideli potrebu za preciznom FEM analizom vlaknima ojačanih materijala. Zbog toga što su takve analize vrlo kompleksne, njihova tačnost i veza sa ispitivanjima mora biti pažljivo proverena. Ovaj dokument predstavlja detaljnu analizu tačnosti strukturalne analize vlaknima ojačanih materijala uz korišćenje Abaqusa u spoju sa vodećim softverom za analizu brizganja. Posmatrani uzorak je prikazan na slici 1, materijal – PA6 Durethan BKV 30 H2.0 sa 30% staklenih vlakana. Uzorak je brizgan na dva različita mesta (A – uzdužno i B – poprečno). Posledica toga je dve različite orjentacije vlakana u inače identičnoj geometriji uzorka.

Obravnavani izdelek iz ojačanega polimera PA6 Durethan BKV 30 H2.0.Slika 1: Uzorak urađen od ojačane termoplastike PA6 Durethan BKV 30 H2.0.


Preduslov za preciznu analizu je poznavanje tačne orjentacije vlakana koja je postignuta simulacijom procesa brizganja. Važno je da je vodeći softver korišćen zbog dalje kompatibilnosti sa Abakusom. Slika 2 prikazuje predviđanja deformacija za oba slučaja brizganja.

Orientacija ojačitvnih vlaken v izdelku, pri različni lokaciji doliva.Slika 2: Orjentacija vlakana u uzorku sa različitim tačkama brizganja.


Prvi rezultati daju najveća opterećenja koje uzorak može da izdrži. Za postizanje toga, 6 različitih metoda je korišćeno:

1.    Analitički pristup (linearni):

Zatezna čvrstoća je računata analitički u kritičnom preseku uz pretpostavku da je verovatnoća orijentisanja normalno na opterećenje velika ( kritične tačke, često korišćeno u realnom životu – materijal u normalnom pravcu bez razmatranja orjentacije vlakana).
Ovo je najlakši i najbrži metod, ali primenljiv samo na jednostavne oblike, što najčešće nije slučaj. Ovaj metod stvara vrlo konzervativne rezultate.

2.   Izotropna linearna analiza (Abaqus – linear)

Zatezna čvrstoća se računa numerički. Klasičan model linearnog izotropnog materijala se koristi zajedno sa pretpostavkom da je verovatnoća orjentacije vlakana materijala normalna na opterećenje velika (kritične tačke, često u stvarnom životu - materijal u normalnom pravcu bez razmatranja orjentacije vlakana).
Ovo je numerički prilaz koji uzrokuje u brzoj i jednostavnoj proveri čvrstoće kompleksne geometrije. I ovaj metod stvara vrlo konzervativne rezultate.

3.   Izotropni materijal sa nelinearnom analizom (Abaqus – non – linear):

Ovaj prilaz je isti kao i prethodni uz razliku da se koristi nelinearan materijal. Ovaj metod je dobar za velikim skretanjima i izrazito nelinearnim ponašanjem materijala (materijalom sa malim procentom vlakana). Ali ipak i ovaj metod ponovo stvara vrlo konzervativne rezultate kada je poprečni materijal korišćen.

4.    Analiza sa razmatranjem linearne ortotropnosti materijala (Abaqus+fibre orjentacija – linearna):

Zatezna čvrstoća se računa numerički. Orjentacija vlakana predviđena simulacijom brizganja i ortotropni linearno – elastičan materijal (linearni materijal sa svim normalnim pravcima).
Ovo je napredni numerički metod koji uzima u obzir orjentaciju vlakana. Takav metod uzima u obzir uticaj tehnološkog procesa mehaničkih osobina uzorka i proizvodi preciznije rezultate kod manjih skretanja materijala koji sde ne ponašaju isključivo nelinearno.

5.   Analiza uz razmatranje nelinearno ortotropnih materijala (Abaqus+orjentacija vlakana – nelinearno):

Ovaj pristup je sličan prethodnom uz razliku da je materijal mapiran u idealnu mrežu konačnih elemenata. Ortotropno elasto-plastični materijalni model se koristi zajedno sa failure modelom za kompozitne materijale (nelinearni materijal i sve normalni pravci). Za predviđanje orjentacije vlakana koristi se simulacija brizganja.

6.    Eksperimentalni pristup (testovi čvrstoće):

Testiranje zatezne čvrstoće se izvodi na više uzoraka. Realna čvrstoća uzoraka je data na slikama 5 i 6.

Tabela 1: Rezultati svih prilaza, jasno se vidi da upotreba Abaqusa FEM i analize brizganja daje najpreciznije rezultate.
Eksperimentalna meritev (trgalni stroj):

Za bolje razumevanje – grafički prikaz na slici 3. Crvena linija predstavlja rezultate eksperimenata.

Grafični prikaz rezultatov posamezne metode 
Slika 3: Grafički prikaz rezultata svih metoda, crvena linija predstavlja rezultate eksperimenata (metod 6) – jasno se vidi veliko poklapanje metoda 5 i 6.


 

Porazdelitev primerjalne napetosti matice kompozita v [MPa] na ploščiciSlika 4: Ekvivalentna raspodela napona zatezanja kompozitne matrice u MPa za uzorak brizgan sa strane B. Analiza uz nelinearno ortotropni materijal.

Natezno preizkuševališčeSlika 5: Ispitivanje čvrtoće 


Natezni preizkušanci Slika 6: Uzorci ispitivani zatezanjem


Analiza uz pomoć kompjutera materijala ojačanih vlaknima sa pojednostavljenim modelom materijala su ortotropni, a materijal nelinearni, je nedovoljna zbog konzervativne strane razmatranja zatezne čvrstoće i nepreciznih rezultata. Oni mogu biti korišćeni za brzu procenu čvrstoće proizvoda u početnoj fazi razvoja. Sa druge strane, takve analize nisu korisne kada želimo da razvijemo optimizovan proizvod sa najmanjim mogućim utroškom materijala uz zadržavanje zahtevane čvrstoće. Za ilustraciju – ovde su prikazane greške od 25 do 50%, a kod nekih pristupa i više.
Dakle, možemo zaključiti da uzimanje u obzir ortotropnosti i orjentacije vlakana, značajno povećavaju tačnost numerički dobijenih rezultata. Čak takve analize omogućavaju razmatranje efekata različitih mehaničkih osobina zbog drugačijih tačaka brizganja. Ovaj dokument dokazuje da posmatrani metod daje vrlo precizne rezultate i vodi do optimizacije proizvoda uz izbor najboljeg odnosa između utroška materijala i čvrstoće.