複合材料 Composite

什麼是複合材料？

複合材料是由兩種或以上物理或化學性質不同的材料組成的材料系統，常見的組合如：纖維增強複合材料（如碳纖維、玻璃纖維與環氧樹脂）、層狀結構（Laminates）等等。

當我們談到複合材料（Composite）時，設計建模與模擬是至關重要的步驟，因為這些材料的特性與傳統材料大不相同，通常具有複雜的結構和多種不同的力學行為。

 

複合材料的設計與建模

複合材料的建模方法可以從宏觀到微觀，甚至跨尺度處理。
如果我們今天需要進行複合材料的微觀結構設計，Ansys Material Designer 提供多種材料結構的設計模式，讓我們針對材料進行大量的研究。

Ansys Material Designer  提供多種材料結構，幫助進行複合材料設計

 

對於工程師來說，捕捉和模擬材料的微觀結構並不容易——比如複合材料。如果工程師必須忠實地考慮微觀結構的所有細節，進行有限元模擬的計算負荷將遠遠超出目前的計算能力。

                               材料微觀結構可能過於復雜，無法以精細的細節水平捕捉。
             就像在使用拓撲優化設計的複雜支架（右）中使用未對準的光纖微結構（左）一樣。

 

考慮到更複雜幾何的趨勢——比如拓撲優化的幾何和裝配——模擬的計算負載將會增加。如果這些複雜的幾何形狀也具有復雜的微觀結構，則模擬它們的唯一方法是使材料特性均勻化。

Ansys Material Designer 在 Ansys Mechanical Enterprise 中可用，使工程師能夠優化微觀結構並使複雜材料和複合材料的材料特性均勻化。

有關 Material Designer 的深入說明，請觀看以下影片：

展示 Material Designer 將複雜材料和複合材料的材料特性均勻化的能力。

 

如何定義複合材料的微觀結構

Material Designer 能夠計算異質材料架構的彈性和熱特性——比如複合材料中的架構。

它通過首先定義基礎材料的屬性和顯微組織的代表性體積元素 (RVE) 來實現這一點。

RVE 被定義為材料的最小體積元素，具有宏觀模型中使用的典型材料屬性的準確統計表示。

工程師可以使用 Material Designer 自訂尺寸並影響 RVE 的尺寸和材料屬性。他們甚至可以製作自訂的 RVE。

Material Designer 捕捉異質材料架構的材料響應，並將其擴展為同質化的宏觀行為。

 

Material Designer 中預設了多個 RVE 幾何圖形，但工程師也可以製作使用者自定義的 RVE。

 

使用 Material Designer，工程師可以根據自定義和預設的幾何類型來分析 RVE。Material Designer 中可用的一些預設微觀結構包括：

• 單向光纖
• 編織纖維
• 切碎的隨機纖維
• 長而隨機的纖維
• 切碎、有序的纖維
• 長而有序的纖維

工程師還可以使用晶格定義材料的微觀結構。這些晶格可以是使用者自訂的或基於預設的形狀，如菱形、立方體、八位字節或金字塔。

 

使用 Material Designer 模擬複雜的複合微結構

一旦 Material Designer 定義了材料微觀結構的均質屬性，就可以在 Ansys Mechanical 或 Ansys Workbench 中使用這些數據。

通過 Material Designer 計算的材料屬性可以在後續模擬中重複使用。這意味著一旦工程師完成新材料或複合材料的設計，他們就可以將他們的工作重複用於其他零件設計。

此外，不同的 Material Designer 分析單元可以在模擬中聯繫在一起。這有助於工程師捕捉材料屬性如何根據規模和位置而變化。

最後，Material Designer 可以完全參數化。這使工程師能夠通過將參數傳遞到優化工作流程來優化 RVE 架構和材料屬性。

 

                                     Material Designer 分析單元可以連接在一起以獲得不同比例和位置的材料行為。 

 

複合材料結構模擬與失效分析

使用 Ansys ACP 複合材料前後處理工具，能幫助我們定義最佳材料配方，包括層數、形狀、厚度和每層的方向。

 

預測複合材料在條件下的性能表現

Ansys ACP 複合材料工具可以預測最終強度和隨時間推移的漸進損壞，包括分層、開裂、拔出和其他機制。

 

可製造性設計

透過 Ansys ACP 複合材料工具確保設計滿足實際生產設施和設備的需求來優化您的製造流程；將層規格直接導入業界標準工具。

 

材料和層數定義 Material and ply definition

Ansys ACP 複合材料工具可以定義材料和層數，包含：

• 具有工程常數的基本材料

• 具有供應商特定資料的單軸結構

• 具有供應商特定資料的多軸結構

• 標準層壓板模板

• 材料退化因素

 

設定材料方向 Material orientation

• 從 rosettes 輕鬆定義材料 0° 方向

• 獨立於殼體法線定義材料應用方向的概念，可輕鬆定義不對稱層壓板

• 「Draping and flat-wrap」功能，針對分析結果可以對複合材料進行「覆蓋-展開」操作

• 纖維角度校正分析

 

複合材料失效分析

Ansys ACP 複合材料內建許多失效標準，幫助我們評估複合材料的失效，支援以下狀況：

• 全局指標：逆儲備係數 (IRF)、儲備係數和安全邊際

• 可任意組合破壞準則

• 最大應變、應力、Tsai-Wu、Tsai-Hill、Hashin、LaRC、Cuntze

• 適用於單向(UD) 和 Weave 材料的 Puck 2D 和 3D 失效標準

• 夾層結構的失效與起皺

• 考慮多負載工況

• 每個平面內資料點有 4 個結果值：所有層在所有標準下的最大 IRF、主動性失效、具有最高 IRF 的層、關鍵負載情況

• 獨特的基於殼單元方法，以評估彎曲層壓板層間法向 3D 應力

• 用於基於層的應變、應力和 IRF 可視化的抽樣元素

 

複合材料的進階失效分析

Ansys ACP 複合材料支援的複合材料進階失效分析包含：

• 分層

• 虛擬裂紋閉合技術（VCCT）

• 漸進性損傷

 

如果您對此軟體有興趣，想進一步評估，歡迎與我們聯繫 !

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