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Analise Estruturas em Camadas Utilizando o Composite Materials Module

Modeling Composite Structures for Improved Product Design

A composite material is a heterogeneous material composed of two or more integrated constituents for enhanced structural performance. Thanks to the improved strength and reduced weight as compared to conventional materials, composite materials have many potential use cases in diverse fields. Development efforts are underway in industry to embed functionality like sensing, actuation, computation, and communication into composite materials known as smart composite materials. A thorough understanding of the behavior of such materials is necessary in order to design the most accurate and reliable composite structures.

Software para Análise de Materiais Compostos em Camadas

O Composite Materials Module é um complemento do Structural Mechanics Module que oferece ferramentas de modelagem e funcionalidade personalizadas para analisar estruturas de compósitos em camadas. Alguns dos exemplos comuns de materiais compósitos em camadas são plástico reforçado com fibra, chapas laminadas e painéis sanduíche. Esses materiais compósitos em camadas são amplamente utilizados na fabricação de componentes de aeronaves, componentes de espaçonaves, pás de turbinas eólicas, componentes de automóveis, edifícios, cascos de barcos, bicicletas e equipamentos de segurança. O Composite Materials Module utiliza uma tecnologia especializada de materiais em camadas e fornece duas abordagens que você pode usar para modelar com precisão cascas compostas: layerwise theorye equivalent single layer theory.

Além disso, quando você combina o Composite Materials Module com outros módulos do conjunto de produtos COMSOL® product suite, você pode estender seus modelos para incluir efeitos de transferência de calor, eletromagnétismo e mecânica dos fluidos - tudo no mesmo ambiente de simulação .

O que Você Pode Modelar com o Composite Materials Module

O Structural Mechanics Module possui interfaces físicas predefinidas com configurações especializadas para configurar e executar análises com mais facilidade. O Composite Materials Module inclui interfaces e modelos de materiais adicionais para simular laminados compostos, dependendo da teoria de camadas que você preferir e do tipo de análise que você está executando. Juntamente com as análises estruturais regulares (como análises estacionárias, de frequência própria, flambagem transitória, linear e outras análises), você também pode executar modelagem de múltiplas camadas e falha na primeira camada. Por serem materiais de engenharia, os laminados compostos são propensos a diferentes tipos de modos de falha. Assim, torna-se essencial realizar vários tipos de análises de falhas para laminados compostos.

Observe também que você pode otimizar as dimensões geométricas, a disposição do composto, as espessuras de dobras, as orientações das fibras e as propriedades do material de seus projetos com o complemento Optimization Module.

Veja mais detalhes sobre o que você pode modelar com o Composite Materials Module abaixo.

A interface Layered Shell, disponível em 3D, fornece uma abordagem baseada na teoria de camadas para uma análise detalhada de laminados compostos. As condições de limite podem ser colocadas em camadas individuais, bem como em interfaces individuais entre camadas. Os materiais nas camadas individuais podem ser não lineares. Ele também suporta ordem de forma diferente para o campo de deslocamento na superfície de referência e na direção da espessura passante. Os resultados incluem distribuições completas de tensão e tensão 3D, para que você possa calcular tensões interlaminares e estudar variações de tensão dentro de cada lâmina, por exemplo.

A formulação dessa interface física o torna adequado para invólucros compostos espessos a moderadamente finos, com um número limitado de camadas.

Model of a simply supported composite laminate. Stresses in a simply supported three-layer composite laminate subjected to bending.

Com o Composite Materials Module, a interface Shell é aumentada com um novo modelo de material: Layered Linear Elastic Material. É baseado na teoria de deformação de cisalhamento de primeira ordem, que é uma classe da teoria equivalente de camada única, onde todas as camadas são agregadas em um material equivalente. Os resultados incluem distribuições completas de tensão e tensão 3D, para que você possa estudar as variações de tensão dentro de cada lâmina, por exemplo.

Este modelo de material, adequado para cascas finas a moderadamente grossas, pode acomodar muitas camadas sem impacto significativo no desempenho.

Modelo de uma lâmina composta de turbina eólica. Tensões em uma lâmina composta de turbina eólica composta de espuma de PVC espessa como um material central envolvido por várias camadas de composto de fibra de vidro de cada lado, combinadas com um revestimento externo de fibra de carbono.

The analysis of a composite laminate is comparatively difficult, as it involves different geometric scales. The analyses performed at two different scales are known as micromechanics analysis and macromechanics analysis.

In general, a lamina consists of fiber and matrix materials. The homogenized properties of a lamina depends on the constituents' properties as well as the volume fraction in which constituents are mixed. Micromechanical analyses deal with the modeling of individual lamina or its representative unit cell having fiber and matrix materials. The aim of this analysis is to compute the homogenized material properties of a lamina.

Modelo micromecânico de um compósito de fibra. Célula unitária representativa para um compósito de fibra com uma fração de volume de fibra de 20%. O modelo é usado para determinar um material anisotrópico médio equivalente.

A flambagem de um laminado compósito é um fenômeno comum e, portanto, um importante critério de projeto. É crucial projetar um laminado composto que possa suportar cargas de torção por compressão ou torção. No software COMSOL Multiphysics®, qualquer uma das teorias do laminado pode ser usada para calcular o fator crítico de carga de flambagem de um laminado composto.

Modos de flambagem em um laminado composto de diferentes orientações de fibra. Modo de flambagem para o mesmo laminado composto com diferentes opções de orientações de fibras na lâmina.

Um laminado composto consiste em muitas camadas coladas ou laminadas juntas. Sob diferentes condições de carregamento (em particular, carregamento de impacto), a ligação entre as duas camadas pode se romper em uma região específica. A modelagem da região delaminada se torna crucial para prever com precisão a resposta de um laminado composto danificado.

No COMSOL Multiphysics®, isso pode ser alcançado usando a interface Layered Shell baseada em teoria de camadas. Lá, o nó Thin Elastic Layer, Interface pode ser usado para modelar a região delaminada entre diferentes camadas de um laminado composto.

Impedância em um laminado composto com e sem delaminação. Impedance of a composite laminate at different frequencies. The results are compared for a laminate with and without debonded regions (shown in the inset).

The Layered Shell interface can incorporate nonlinear material models in a layered composite when used in combination with the Nonlinear Materials Module. It is also possible to add different nonlinear material models in different layers of a composite laminate.

The composite laminates, modeled using either the Layered Shell interface or the Layered Linear Elastic Material node of the Shell interface, can be coupled with other structural elements in a multibody system, when combined with the Multibody Dynamics Module.

Acoplamentos Multifísicos para Análises Estendidas de Materiais Compósitos

In many situations, a composite laminate is designed based on the structural requirements, but there are some cases where other physical phenomena must be taken into consideration. There are two fundamentally different types of interaction between the mechanics in the laminate and other processes: those that occur within the laminate layers and those that occur with the laminate as a boundary.

Thermal and Electromagnetic Interaction

Some physical processes occur inside the laminate, where the thermal and electrical effects are significant, and it is important to design the laminate based on the combined response. The layered material technology allows you to use different physics interfaces in the same layered material, and you can solve for all of the physical phenomena simultaneously, including the couplings between them. From a structural design point of view, both laminate theories can be coupled to thermal and electrical modeling of composite laminates. One such example is Joule heating and thermal expansion of a composite laminate.

To access these multiphysics couplings, the Heat Transfer Module and AC/DC Module are required for the thermal and electromagnetic interactions, respectively.

Fluid and Acoustics Interaction

In other physical processes, the laminate acts as a boundary for a 3D domain where something important occurs. The equivalent-single-layer-theory-based Layered Linear Elastic Material in the Shell interface allows you couple the composite laminate with a surrounding fluid using the Fluid-Structure Interaction multiphysics coupling node. This functionality is readily available for laminar flow, as well as turbulent flow when combined with the CFD Module.

Similarly, in order to model a vibroacoustics problem, you can couple the composite laminate with a surrounding acoustic domain using the Acoustics-Structure Boundary multiphysics coupling node, accessible when combined with the Acoustics Module.

Thermal expansion in a composite laminate. Equivalent stress distribution caused by heating in a six-layer composite.

Specialized Tools for Defining and Visualizing Laminates

Composite laminates are made up of several layers of different materials, fiber orientations, thickness, and so on. In order to visualize the layup and provide the information in a convenient manner, the Composite Materials Module offers a set of specialized tools. Additionally, since composite laminates are anisotropic in nature and generally heterogeneous in the through thickness direction, it is usually not sufficient to evaluate results only on the reference surface. You need to evaluate results in each layer as well as in the through thickness direction.

Layered Material Feature

The Layered Material node can be used to define a layup where each layer has its own material data, thickness, and principal orientation. Layered materials defined in this way can be combined using the Layered Material Stack node to create more complex layered materials, which is particularly convenient when the layup is repetitive, or when modeling ply drop-off. You can also define material properties for the interfaces between layers.

Layer Preview Plots

In order to visualize the input data of a composite layup, there are two preview plots Layer Stack Preview and Layer Cross Section Preview. The Layer Stack Preview plot depicts the number of layers as well as the principal fiber orientations in each layer. The Layer Cross Section Preview plot shows the thickness of each layer together with the position of the reference plane.

Layered Material Connection

When joining two different laminates in a side-by-side configuration or modeling a ply drop-off situation, it is possible to use the Layered Material Stack node together with the Continuity node in the Layered Shell interface. The connection area of the two laminates can be controlled through different options. The connected layers from both the laminates can be visualized using the Layer Cross Section Preview plot available on the Continuity node.

Layered Material Dataset

Even though the composite laminate is modeled as a surface (2D) geometry, you can visualize the results on a geometry with finite thickness using the Layered Material dataset. It also allows you to scale the geometry in the thickness direction for better visualization as thin laminates. Using this dataset, you can plot the results either as a surface on a 3D geometry or as slices in the 3D geometry.

Layered Material Slice Plot

The Layered Material Slice plot provides more freedom in terms of creating slices in a composite laminate. It is useful in the following cases:

  • Creating a slice only through one or a few selected layers
  • Creating a slice through some or all layers, but not necessarily placing them in the through thickness direction
  • Examining a particular layer in detail and creating a slice at a particular position within the layer that is not the midplane

Through Thickness Plot

The Through Thickness plot enables you to visualize the variation of any quantity at a particular position on the boundary against the laminate thickness. You can select one or more geometric points on the boundary or optionally create cut point datasets. It is also possible to specify the point coordinates directly. Unlike other graphs, the result quantity is plotted on the x-axis, while the thickness coordinate is plotted on the y-axis.

Layup of a layered material and its layer stack preview plot. The layup of a layered material, together with a layer stack preview plot showing principal fiber orientations of each layer.

Seção transversal de um material em camadas com a posição do plano de referência. The cross section of a laminate made up of five sublaminates. The thickness of each layer and the reference plane position are shown.
Conexão entre dois materiais em camadas. The connection between two layered materials meeting side by side. Ply drop-off is depicted.


Diferentes tipos de visualização de um laminado grosso de três camadas usando um conjunto de dados de material em camadas. Diferentes tipos de visualização de um laminado grosso de três camadas usando o conjunto de dados do material em camadas.

Tensões em todas as camadas de um laminado composto. Salienta todas as camadas de um tubo projetado como um laminado composto de cinco camadas.
Through thickness plot showing transverse shear stresses.

Tensões de cisalhamento transversal em um laminado de três camadas, comparando a interface Layered Shell e a solução 3D exata.

Toda empresa possui uma necessidade de simulação diferente. Para avaliar se o software COMSOL Multiphysics® atenderá ou não aos seus requisitos, entre em contato conosco. Ao falar com um de nossos representantes de vendas, você receberá recomendações personalizadas e exemplos totalmente documentados para ajudá-lo a aproveitar ao máximo sua avaliação e orientá-lo a escolher a melhor opção de licença para atender às suas necessidades.

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