複合材料モジュール

製品設計を改善するための複合構造のモデル化

複合材料は, 構造性能を向上させるために2つ以上の統合された構成要素で構成される異種材料です. 複合材料モジュールは, 構造力学モジュールのアドオンであり, 層状の複合構造を分析するために調整されたモデリングツールと機能を提供します. 繊維強化プラスチック, 積層板, サンドイッチパネルなどの層状複合材料は, 航空機部品, 宇宙船部品, 風力タービンブレード, 自動車部品, 建物, 船体, 自転車, および安全装置の製造に広く使用されています.

さらに, 複合材料モジュールを COMSOL 製品の他のモジュールと組み合わせると, モデルを拡張して, 熱伝達, 電磁気学, 流体の流れ, 音響, および圧電効果をすべて同じシミュレーション環境内に含めることができます.

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3枚の風力発電機ブレードの表皮応力 (左), スパー応力 (中), シェル局所座標系 (右) を示します.

ラミネートを定義, 可視化するためのラミネート理論

積層複合シェルの解析は, 通常, 3次元弾性理論または同等の単層 (ESL) 理論に基づいています.

複合材料モジュールは, 特殊な層状材料技術を利用し, 複合シェルを正確にモデル化するために使用できる2つのアプローチを提供します. 層ごとの理論と同等の単層理論です. 層ごとのアプローチは, 層の数が限られている厚い複合シェルから中程度の薄い複合シェルに適しています. 同等の単層理論は, 薄いシェルから中程度の厚いシェルに適しており, パフォーマンスに大きな影響を与えることなく多くの層に対応できます. これらの理論を使用して, マルチスケール, マルチフィジックス, およびさまざまな故障解析を実行することにより, ラミネートのレイアップおよびその他のパラメーターを最適化できます.

複合材料モジュールでモデル化できるもの

COMSOL® ソフトウェアを使用して, 複合ラミネートのさまざまな構造解析を実行します.

繊維と樹脂で構成されたユニットセルモデルのクローズアップ写真.

マイクロメカニカル/マクロメカニカル

均質化された材料特性と複合材積層体のマクロ応答を計算します.

ホフマンの安全係数を示す積層シェルモデルのクローズアップ図.

初層剥離

積層複合材シェルの構造的完全性を評価.

複合材円筒の座屈モードをクローズアップした図.

線形座屈

圧縮荷重および固定端条件下での臨界荷重係数を計算します.

ラミネートシェルの力の値の違いをクローズアップした図.

層間剥離

複合板におけるモデルの層間剥離の開始と伝播.

金属壁フレームモデルの応力と変位.

非線形材料1

層状複合材料に非線形材料モデルを組み込みます.

応力を示す複合ホイールリムモデルのクローズアップ図.

マルチボディダイナミクス2

マルチボディシステムで複合ラミネートを他の構造要素と結合します.

初期および最適化されたレイアップを示す積層複合材モデルのクローズアップ図.

複合最適化3

複合材料のレイアップ, 層の厚さ, 繊維配向, および材料特性を最適化します.

  1. さらに非線形構造材料モジュールが必要です
  2. さらにマルチボディダイナミクスモジュールが必要です
  3. さらに最適化モジュールが必要です

ラミネートを定義, 可視化するための専用ツール

複合材料モジュールは, 複数の層で構成されている複合ラミネートを可視化するための一連の専用ツールを提供します.

レイヤードシェルノードが強調表示され, グラフィックウィンドウに複合パネルモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップビュー.

層ごとのアプローチ/積層シェルインターフェース

3Dで利用可能な積層シェルインターフェースは, 複合ラミネートの詳細な分析のための層ごと理論に基づくアプローチを提供します. 個々の層の材料は非線形にすることができます. また, 参照面と厚さ方向の変位フィールドのさまざまな形状順序をサポートします. 結果には完全な3D 応力とひずみの分布が含まれるため, たとえば, 層間応力を計算したり, 各薄層内の応力変動を調べたりすることができます.

モデルビルダーのクローズアップ図. 層状線形弾性材料ノードがハイライトされ, 2つのグラフィックスウィンドウが表示されている.

積層材料機能

積層材料ノードを使用して, 各層が独自の材料データ, 厚さ, および主な方向を持つレイアップを定義できます. このように定義された積層材料は, 積層材料スタックノードを使用して組み合わせることができ, より複雑な積層材料を作成できます. これは, レイアップが繰り返される場合や, プライのドロップオフをモデリングする場合に特に便利です. レイヤー間のインターフェースの材料特性を定義することもできます.

設定ウィンドウと2つのグラフィックスウィンドウのレイヤー選択セクションをクローズアップした図.

レイヤードマテリアル接続

2つの異なるラミネートを並べて結合する場合, または層のドロップオフ状況をモデル化する場合, 層状シェルインターフェースの連続性ノードと一緒に層状材料スタックノードを使用できます. 2つのラミネートの接続領域は, さまざまなオプションで制御できます. 両方のラミネートからの接続されたレイヤーは, 連続性ノードで使用可能なレイヤー断面プレビュープロットを使用して可視化できます.

レイヤーマテリアルスライスノードがハイライトされ, グラフィックスウィンドウにコンポジットシリンダーが表示されたモデルビルダーのクローズアップビュー.

レイヤードマテリアルスライスプロット

レイヤードマテリアルのスライスプロットは, 複合ラミネートにスライスを作成するという点で, より自由度が高くなります. 選択した1つまたはいくつかのレイヤーのみを介してスライスを作成する場合, または一部またはすべてのレイヤーを介してスライスを作成する場合に便利ですが, 必ずしも厚さ方向に配置する必要はありません. また, 特定のレイヤーを詳細に調べて, ミッドプレーンではないレイヤー内の特定の位置にスライスを作成する場合にも使用できます.

モデルビルダーのクローズアップ図. レイヤーマテリアルスライスノードがハイライトされ, グラフィックスウィンドウに風力発電機モデルが表示された状態.

同等の単層アプローチ/シェルインターフェース

シェルインターフェースは, 積層板全体の均質化された材料特性を計算し, 中間面のみで解く材料モデル, 層状線形弾性体で拡張されています. 結果には完全な3次元応力, ひずみ分布が含まれるため, 例えば各ラミナ内部の応力変化を調べることができます.

レイヤードマテリアルノードの設定と積層シェルモデルをグラフィックウィンドウにクローズアップして表示した図.

レイヤープレビュープロット

複合レイアップの入力データを可視化するために, レイヤースタックプレビューとレイヤー断面プレビューの2つのプレビュープロットがあります. レイヤースタックプレビュープロットは, レイヤーの数と各レイヤーの主な繊維配向を示します. レイヤー断面プレビュープロットは, 参照面の位置とともに各レイヤーの厚さを示します.

レイヤーマテリアルノードがハイライトされ, グラフィックスウィンドウにコンポジットラミネートが表示されているモデルビルダーのクローズアップビュー.

積層材料データセット

レイヤードマテリアルデータセットは, 有限の厚さを持つジオメトリでシミュレーションの結果を表示するために使用されます. このデータセットを使用すると, 法線方向のラミネートの厚さを増減できます. これは, 薄いラミネートを可視化するのに役立ちます. また, 薄いラミネートとしての可視化を向上させるために, ジオメトリを厚さ方向にスケーリングすることもできます.

モデルビルダーのクローズアップ図. 貫通厚みノードがハイライトされ, グラフィックスウィンドウに1D プロットが表示されます.

厚み方向プロット

厚み方向プロットを使用すると, ラミネートの厚さに対する境界の特定の位置での任意の量の変化を可視化できます. 境界上の1つまたは複数の幾何学的ポイントを選択するか, オプションでカットポイントデータセットを作成できます. ポイント座標を直接指定することも可能です. 他のグラフとは異なり, 結果の量は x 軸にプロットされ, 厚さ座標は y 軸にプロットされます.

拡張分析のためのマルチフィジックスカップリング

ラミネートの力学と他のプロセスの間には, 根本的に異なる2つのタイプの相互作用があります. ラミネート内で発生する物理プロセスの場合, それらの間の結合を含め, すべての物理現象を同時に解決できます. 他の物理的プロセスでは, ラミネートは, 何か重要なことが発生する3D ドメインの境界として機能します. 次のマルチフィジックスカップリングは, 組み込みのカップリングで使用できます.

  • 熱伝達1
  • 電流2
  • 圧電性2
  • 多孔質弾性3
  • 音響学‐複合相互作用4
  • 流体‐複合相互作用5

  1. 伝熱モジュールが必要です
  2. AC/DC モジュールまたは MEMS モジュールが必要です
  3. 多孔質媒体モジュールが必要です
  4. 音響モジュールが必要です
  5. 乱流の場合, CFD モジュールが必要です
応力を示す6層複合材のクローズアップ図.

熱伝達と電流

層状材料技術を使用した複合ラミネート内のジュール熱と熱膨張をモデル化します.

圧電体層と金属層を示した積層シェルモデルのクローズアップ図.

圧電性

圧電材料を複合ラミネートに埋め込んで, 薄い圧電デバイスとセンサーをモデル化します.

圧力を示す圧縮ドライバーのモデル.

音響と複合相互作用

複合ラミネートを周囲の音響領域と結合することにより, 振動音響をモデル化します.

速度の大きさを示す直方体のクローズアップ図.

流体と複合体の相互作用

層状線形弾性材料を組み合わせて, 流体領域と相互作用する複合ラミネートをモデル化します.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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