Investigation of finite element (FE) modelling of composite materials: shell, solid and solid layered composite modelling – comparison of impact on simulation results

• Autorzy: Gojny Katarzyna , Dacko Adam

Warianty tytułu

PL

Badanie rodzajów modelowania MES materiałów kompozytowych: modelowanie powłokowe, bryłowe i bryłowo-warstwowe – porównanie wpływu na wyniki symulacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Composites materials have attracted a great deal of interest for use in various fields e.g. the transport industry, construction, sport equipment and even home applications. This is due to the excellent properties of composite materials such as their high strength/stiffness to mass ratio. Nowadays, finite element (FE) modelling allows investigation of the behaviour of composite materials subjected to loading before the production stage. This paper compares the available ways of FE modelling of composite materials: shell, solid shell and solid layered composite modelling in MSC Patran/Nastran software. The aim of this research work was a comparative analysis and determination of the influence of the applied modelling type on the simulation results. Numerous finite element analyses (FEAs) (tensile and bending) of different narrow plate (resembling a slender, beam-like structural member) structure models were performed, i.e. laminated beam and sandwich beam models, with different layups of layers. The obtained numerical results allow the authors to conclude that shell composite finite element modeling can be considered a practically optimal choice due to reduction of the modelling effort and time, as well as due to obtaining consistent simulation results, especially when having only the basic manufacturer’s set of material constants.

PL

Materiały kompozytowe cieszą się dużym zainteresowaniem w różnych dziedzinach, np. przemysł transportowy, budownictwo, sprzęt sportowy i nawet zastosowania domowe. Wynika to z doskonałych właściwości materiałów kompozytowych, takich jak wysoki stosunek wytrzymałości/sztywności do masy. Obecnie modelowanie metodą elementów skończonych (MES) pozwala na badanie zachowania się materiałów kompozytowych poddanych obciążeniu przed etapem produkcji. W artykule porównano dostępne sposoby modelowania MES materiałów kompozytowych: modelowanie powłokowe, bryłowe i bryłowo-warstwowe w oprogramowaniu MSC Patran/Nastran. Celem pracy badawczej była analiza porównawcza i określenie wpływu zastosowanego modelowania na wyniki symulacji. Przeprowadzono liczne analizy MES (zginanie i rozciąganie) dla różnych modeli wąskiej płyty (przypominającej smukły, belkowy element konstrukcyjny), tj. dla modelu materiału laminatu warstwowego oraz struktury przekładkowej, z różnymi układami warstw. Uzyskane wyniki numeryczne pozwalają stwierdzić, że modelowanie powłokowe materiałów kompozytowych jest praktycznie optymalnym wyborem ze względu na zmniejszenie nakładu pracy i czasu oraz uzyskanie spójnych wyników symulacji, zwłaszcza gdy dysponuje się tylko podstawowym zestawem stałych materiałowych producenta.

Słowa kluczowe

EN

composite materials; finite element modelling; FE modelling; finite element analysis; FEA; shell composite modelling; solid shell composite modelling; solid layered composite modelling

PL

materiały kompozytowe; modelowanie MES; analiza metodą elementów skończonych; MES; modelowanie powłokowe kompozytów; modelowanie bryłowe kompozytów; modelowanie bryłowo-warstwowe kompozytów

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 21, nr 1-2
• Strony: 29--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gojny Katarzyna

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics Division of Strength of Materials and Structures, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw, Poland

autor

Dacko Adam

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics Division of Strength of Materials and Structures, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Sauer M., Kühnel M., Witten E., Composites Market Report 2017: Market Developments, Trends, Outlook and Challenges, Federation of Reinforced Plastics, 2017.
• [2] Gay D., Hoa S.V., Tsai S.W., Composite materials design and Applications, CRC Press, Boca Raton 2003.
• [3] MSC Software Corporation, MD Nastran & MSC Nastran Quick Reference Guide, 2018.
• [4] MSC Software Corporation, Section 2 Solid Composites, Composites Technology Day, MSC Users Conference 2012.
• [5] Barkanov E., Ozoliņš O., Eglītis E., Almeida F., Bowering M.C., Watson G., Optimal design of composite lateral wing upper covers. Part I: Linear buckling analysis, Aerospace Science and Technology 2014, 38, 1-8.
• [6] Rumayshah K.K., Prayoga A., Agoes Moelyadi M., Design of High Altitude Long Endurance UAV: Structural Analysis of Composite Wing using Finite Element Method, Journal of Physics: Conference Series 2018, 1005(1), 5th International Seminar of Aerospace Science and Technology, 1-11.
• [7] Shetty B.P., Reddy S., Mishra R.K., Finite element analysis of an aircraft wing leading edge made of GLARE material for structural integrity, Journal of Failure Analysis and Prevention, 2017, 17(5), 948-954.
• [8] Perfetto D., Lamanna G., Manzo M., Chiariello A., Di Caprio F., Di Palma L., Numerical and experimental investigation on the energy absorption capability of a full-scale composite fuselage section, Key Engineering Materials 2019, 827, 19-24.
• [9] Giglio M., Manes A., Gilioli A., Investigations on sandwich core properties through an experimental – numerical approach, Composites Part B 2012, 43(2), 361-374.
• [10] Anoshkin A.N., Zuiko V.Yu., Alikin M.A., Tchugaynova A.V., Numerical simulation of mechanical behaviour of composite sandwich panels with defects, ECCOMAS Congress 2016, VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, Eccomas Proceedia ID: 2376, Conference Proceeding ID: 9724, 7800-7809.
• [11] MSC Software Corporation, MSC Nastran Nonlinear (SOL 400) User’s Guide, 2018.
• [12] MSC Software Corporation, Getting Started with MD Nastran User’s Guide, 2010.
• [13] MSC Software Corporation, Linear Static Analysis, User’s Guide, 2011.
• [14] Chen J., Hallett S., Wisnom M. R., Modelling complex geometry using solid finite element meshes with correct composite material orientations, Computers and Structures 2010, 88(9), 602-609.
• [15] Roy R., Kweon J.H., Choi J.H., Meso-scale finite element modeling of Nomex^TM honeycomb cores, Advanced Composite Materials 2014, 23, 1, 17-29.
• [16] Reddy J.N., An Introduction to the Finite Element Method, 2nd Edition, McGraw-Hill, Inc., 1993, 5-6.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).