Особенности численного моделирования композитных материалов с вязкоупругими полимерными слоями
Автор: Разакова Р.В., Разаков М.А.
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 4 т.26, 2024 года.
Бесплатный доступ
Целью исследования является анализ существующих конфигураций композитных материалов, позволяющих моделировать контакт между двумя поверхностями материалов, имеющих различные физико-механические параметры с достаточной точностью. Рассмотрены возможности исследования механических свойств и прочностных характеристик слоистых материалов с помощью конечно-элементного анализа, который основан на создании численных моделей, воспроизводящих объекты исследуемого физического объекта и явления. Описаны особенности при определении напряженно-деформированное состояния моделей материалов с помощью численного эксперимента в современном программном комплексе, который позволяет определять многие физико-механические параметры без физических экспериментальных испытаний на которые затрачивается значительное количество времени и ресурсов. Приводится метод контактного слоя, открывающий возможность максимально точно прогнозировать поведение слоистых композитов и численно воспроизводить оценку напряженно-деформированного состояния. В работе представлены способы конечно-элементного моделирования контакта между двумя разнородными материалами, составляющими слоистый композит. Также в статье описаны подходы в моделировании контакта с использованием программных пакетов численного моделирования LS-DYNA и ЛИРА-САПР. Было рассмотрено несколько сценариев моделирования адгезионного контакта с целью поиска наиболее оптимального и позволяющего производить анализ элементов конструкций из слоистых композитов. Полученные результаты анализа не только демонстрируют потенциал в моделировании контактного слоя, учитывая физические параметры адгезионного взаимодействия, но и дают сравнительную оценку конфигурациям существующих программ, что является важным для развития прочностных расчетов. Работа представляет интерес для специалистов, конструкторов и инженеров в области моделирования физико-механических характеристик материалов композитной структуры.
Численное моделирование, контактное взаимодействие, композит, композитный материал, полимер, полимерный материал, составной композитный материал, слоистый композитный материал, напряжение сдвига, нормальное напряжение, модель турусова
Короткий адрес: https://sciup.org/148330113
IDR: 148330113 | УДК: 539.3 | DOI: 10.37313/1990-5378-2024-26-4-77-86
Features of composite materials with viscoelastic polymer layers numerical simulation
Authors have analyzed the existing configurations of composite materials, which help to modeling the contact between two materials surfaces with different physical and mechanical parameters. This is the main purpose of the research. Researchers have considered the possibilities of studying the layered materials mechanical properties and strength characteristics by using finite element analysis. It was based on the creation of numerical models, which reproduce the objects of the studied physical object and phenomenon. There are the features in determining the stress-strain state of material models by using a numerical experiment in a modern software package, which allows the determination process of many physical and mechanical parameters without physical experimental tests. Authors presented the method of the contact layer, which could give the possibility of predicting the layered composites behavior as accurately as possible and numerically reproducing the stress-strain state rate. There are the methods for finite element modeling of contact between two different materials that make a layered composite in this paper. Researchers also describe approaches to contact modeling using the LS-DYNA and LIRA-SAPR numerical simulation software packages in this article. It has been considered the several scenarios for modeling adhesive contact in order to find the most optimal one, which could allow analysis of layered composites structural elements. The obtained results of the analysis demonstrate the potential in modeling the contact layer, which include the physical parameters of the adhesive interaction. They also provide a comparative assessment of the existing programs configurations, which is important for the strength calculations development. This work could be interested to specialists, designers and engineers in the field of modeling the physical and mechanical composite structure materials characteristics.
Список литературы Особенности численного моделирования композитных материалов с вязкоупругими полимерными слоями
- Муйземнек, А.Ю. Математическое моделирование процессов удара и взрыва в программе LS-DYNA / А.Ю. Муйземнек, А.А. Богач. – Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2005. – 106 с.
- Zhou, L., Simon J-W., Reese S. Proper orthogonal decomposition for substructures in nonlinear fi nite element analysis: coupling by means of tied contact // Archive of Applied Mechanics. – 2018, – Т. 88, No. 11. – pp. 1975-2001. doi: 10.1007/s00419-018-1427-1
- Zhang, Y., Xian, C., Zhao, Y. Solving specifi edtime distributed optimization problem with local inequality constraint based on penalty method // 3rd International Conference on Industrial Artifi cial Intelligence (IAI). 2021, pp. 1-6. doi:10.1109/IAI53119.2021.9619230
- Tiwary A., Kumar R., Chohan J.S. A review on characteristics of composite and advanced materials used for aerospace applications // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 51, No. 1. – pp. 865-870.
- Liu, Q., Huang S., He, A. Composite ceramics thermal barrier coatings of yttria stabilized zirconia for aeroengines // Journal of materials science & technology. – 2019. – Т. 35, No. 12. – pp. 2814-2823.
- Peng, J. et al. Inverse nacre-like epoxy-graphene layered nanocomposites with integration of high toughness and self-monitoring // Matter. – 2020, – Т. 2, No. 1. – pp. 220-232.
- Dong, S., Smith, A., Sheldon, A. Modeling of Curing Adhesives between Jointed Steel and Aluminum Plates using MAT_277 in LS-DYNA // 11th European LS-DYNA Conference, Salzburg, Austria, 2017.
- Kowatz, J., Teutenberg, D., Meschut, G. Optimization of inductive fast-curing of epoxy adhesive by modelbased kinetics // International Journal of Adhesion and Adhesives. – 2023, – Т. 124. – pp. 103392.
- Agha A. et al. Cure History Dependent Viscoelastic Modeling of Adhesively Bonded Joints using MAT_277 in LS-DYNA® // 15th International LSDYNA Conference, 2018.
- Sciuva, M. Di., et al. FEM Modeling of a Composite Sandwich Laminate with LS-DYNA for Aerospace Applications // ENGINSOFT NEWSLETTER, – 2015, – T.12, No. 2. – pp. 43-48.
- Elmarakbi, A. Finite Element Analysis of Delamination Growth in Composite Materials Using LS-DYNA: Formulation and Implementation of New Cohesive Elements. Intechopen // Advances in Composite Materials Ecodesign and Analysis. – 2011, – pp. 409-428 doi:10.5772/13862
- Yue Z. et al. A surrogate model based calibration method for structural adhesive joint progressive failure simulations // The Journal of Adhesion. – 2022. – Т. 99, No. 10. – pp. 1579-1606. https://doi.org/10.1080/00218464.2022.2149325
- Wei, H., et al. LS-DYNA Machine Learning-based Multiscale Method for Nonlinear Modeling of Short Fiber-Reinforced Composites // Journal of Engineering Mechanics. – 2023, – T. 149, No. 3. – pp. 04023003. doi:10.1061/JENMDT.EMENG-6945
- Dong S., Sheldon A., Carney K. Modeling of carbonfi ber-reinforced polymer (CFRP) composites in LSDYNA® with optimization of material and failure parameters in LS-OPT® // 15th International LSDYNA Users Conference, 2018, pp. 10-12.
- LS-DYNA ® Keyword User’s Manual R12. Livermore, CA: Livermore Software Technology Corporation, 2020. Vol. 1.
- Wang, C. et al. Dynamic behavior of aero-engine rotor with fusing design suffering blade off // Chinese Journal of Aeronautics. – 2017, – T. 30, No. 3. – pp. 918-931, https://doi.org/10.1016/j.cja.2017.03.015.
- Paciello, C.S. et al. Crashworthiness of a Composite Bladder Fuel Tank for a Tilt Rotor Aircraft // Journal of Composite Sceinces. – 2021. – T. 5. – pp. 285. https://doi.org/10.3390/jcs5110285
- Erbayrak E. Investigations of low-velocity impact behaviour of single-lap joints having dissimilar hybrid composite adherends through cohesive zone model approach //Journal of Adhesion Science and Technology. – 2022. – Т. 36. – №. 5. – pp. 545-565.
- Hartlen, D. C., Montesano, J., Cronin, D. S. Cohesive Zone Modeling of Adhesively Bonded Interfaces: The Effect of Adherend Geometry, Element Selection, and Loading Condition // International LS-DYNA Users Conference, 2020.
- Shinohara, K, Nishibori, K. Finite element modeling of fabric-tying based on Arimatsu Narumi Shibori Robot // Measurement and Control. – 2023, – T. 56, No. 1-2. – pp. 71-92. doi:10.1177/00202940221091584
- Турусов, Р.А. Адгезионная механика / Р.А. Турусов. – Москва: НИУ МГСУ, 2015. – 232 с.
- Tsybin, N.Y., et al. Stress-strain state of a threelayer rod. Comparison of the results of analytical and numerical calculations with the experiment // MATEC Web of Conferences. – 2018. – T. 196. – pp. 01057. doi: 10.1051/matecconf/201819601057
- Разакова, Р.Р.В. Термоупругие параметры слоистых композитов / Р.Р.В. Разакова, Р.А. Турусов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. – 2023. – Т. 16, № 1. – С. 140-151. doi: 10.18721/JPM.16112.
- Tsybin, N.Y., Turusov, R.A., Andreev, V. I. Adhesive Problem in the Mechanics of Materials // Lecture Notes in Civil Engineering. – 2022. – T. 189. – pp. 245-254. doi: 10.1007/978-3-030-86001-1_29.
- Lertora, E., et al. Comparison Between FSW and Bonded Lap Joints – a Preliminary Investigation // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Т. 1896, – No. 1. – pp. 110004. doi: 10.1063/1.5008131
- Туразян, А.В.О распределении напряжений в базовой модели однонаправленных конструкций / Туразян А.В., Рабинович А.Л. // ДАН СССР. – 1970. – Т. 194, № 6. – С. 1305-1307.
- Dionísio, J.M.M., et al.. Fracture mechanics approach to stress singularities in composite adhesive joints // Composite Structures. – 2021. – T. 276. – pp. 114507. doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114507
- Bhowmick, S, Liu, GR. On singular ES-FEM for fracture analysis of solids with singular stress fi elds of arbitrary order // Engineering Analysis with Boundary Elements. – 2018. – T. 86. – pp. 64-81. doi.org/10.3390/app8122488
- Calic, A., Yildirim, S. Effect of adherend recessing on bi-adhesively bonded single-lap joints // Sadhana. – 2017. – T. 42, No. 3. – pp. 317-325. doi: 10.1007/s12046-017-0603-2
- Calic, A. Effect of adherend shape on stress concentration reduction of adhesively bonded single lap joint // Engineering Review. – 2016. – T. 16, – pp. 29-34.
- Цыбин, Н.Ю. Расчет слоистых конструкций с использованием модели контактного слоя: автореферат дис. ... канд. техн. наук : 01.02.04 / Цыбин Никита Юрьевич. – [Место защиты: Тул. гос. ун-т]. – М., 2019. - 22 с.
