Projektowanie struktur z materiałów kompozytowych w NX i Fibersim

W budowie kompozytów można wyodrębnić fazę łączącą, zwaną osnową lub lepiszczem, i pozostałe materiały, które stanowią zbrojenie. Materiały kompozytowe klasyfikuje się na kilka sposobów. Jedna z bardziej znanych klasyfikacji uwzględnia podział ze względu na rodzaj wzmocnienia [1]. Obejmuje ona kompozyty zbrojone włóknami ciętymi, zbrojone włóknami ciągłymi i zbrojone cząstkami.

Ze względu na właściwości mechaniczne włókien uzyskuje się materiały o bardzo wysokich wartościach własności mechanicznych, przy zachowaniu niskiej gęstości materiału. Pozwala to na konstruowanie struktur bardzo wytrzymałych, sztywnych, a zarazem lekkich [2].

Rys. 1 Zależność właściwości mechanicznych kompozytu od zmiany kąta włókna [4]

Bardzo ważnym aspektem podczas procesu projektowania produktu jest przewidzenie wykonalności jego zaprojektowanej geometrii. Elementy o podwójnej krzywiźnie wymagają szczególnego dopracowania. Istnieje wiele problemów związanych z geometriami o krzywiźnie dwukierunkowej. Z praktycznego punktu widzenia konieczne jest przewidzenie, w których miejscach należy dokonać cięć materiału, aby ten był możliwy do ułożenia w formie, oraz aby uniknąć zagięć materiału. Te aspekty z kolei wpływają na stronę wytrzymałościową konstrukcji. Same cięcia wymuszają realizację tzw. „zakładek”, które ze względów wytrzymałościowych trzeba odpowiednio zaprojektować oraz rozmieścić. Dodatkową trudnością ze strony wytrzymałościowej jest wpływ przekoszenia włókien na dwukierunkowej krzywiźnie.

Z fizycznego punktu widzenia, na omawianej krzywiźnie nie istnieje możliwość ułożenia materiału tak, aby kąt pomiędzy włóknami był taki sam jak w przypadku ułożenia na płasko (lub na krzywiźnie jednokierunkowej).

Dla przykładu, kąt dla tkaniny o splocie twill, gdzie włókna splecione są pod kątem 90°, po ułożeniu w formie spowoduje zmniejszenie tego kąta (Rys. 2).

Zmniejszenie kąta pomiędzy włóknami na rozciągniętym materiale kompozytowym — Rys. 2 Zmniejszenie kąta pomiędzy włóknami na rozciągniętym materiale [3]

Przekoszenie włókien w materiale wpływa na zmianę sztywności oraz wytrzymałości w laminacie. Z klasycznej teorii laminatów wynika, że przekoszenie o nawet niewielki kąt włókien powoduje znaczny spadek sztywności (Rys. 1).

Proces drapowania podczas fazy projektowania struktur z materiałów kompozytowych pozwala na dokładne przewidzenie właściwości mechanicznych z uwzględnieniem możliwości wykonawstwa. Ułatwia także sam proces wykonawczy – pozwalając na generowanie płaskich wykrojów, które zostaną ułożone w skomplikowane geometrycznie elementy w rzeczywistości.

Kompozyty węglowe cieszą się rosnącą popularnością w konstrukcjach, gdzie pełnią funkcje strukturalne. Wysoki współczynnik sztywności do masy takich części zachęca do ich coraz częstszego wykorzystywania. Jednak na przeszkodzie stoi jeszcze niewystarczająca wiedza, która nie pozwala konstruktorom czuć się całkiem pewnie we wszechstronnym stosowaniu takiego materiału. Dlatego też włókna węglowego używa się często jak metalu, to znaczy robi się konstrukcje z prostych geometrycznie części (paneli, kształtowników).

jachtowy zawias — Rys. 3 Stalowy zawias [5]

Daje to możliwość testowania takich paneli i porównywania ich bezpośrednio do metalowych odpowiedników. W dużej mierze jest to spowodowane tym, że minimalna komplikacja geometrii wyklucza automatyzację wykonania takiej części i trzeba ją wówczas wykonać ręcznie.

Rys. 4 Projekt kompozytowego zawiasu w NX CAD

Dla wierniejszego odwzorowania w obliczeniach komputerowych części kompozytowych powstały programy wspomagające proces wytwarzania, które pozwalają na wykonanie całego planu produkcji części przed monitorem. Przykładowo, w programie Fibersim można stworzyć wykroje wszystkich kawałków laminatu, które zostaną wykorzystane do stworzenia danego komponentu.

Fibersim moduł — Rys. 5 Wprowadzanie podstawowych wartości do modułu Fibersim

Fibersim jest platformą współpracującą z NX (są też wersje pod CATIA i PTC CREO). W programie pracuje się na modelu formy, czyli tak samo jak w warsztacie. Przy wykonaniu jednej czynności powstają wykroje, które są w obrobionej już części, a szablony z naddatkami technologicznymi do laminowania generują się automatycznie.

przekoszenie kompozytu — Rys. 6 Wygenerowana siatka pokazująca miejsca gdzie włókno jest przekoszone

Do przykładowego zilustrowania zastosowania programu wybraliśmy zawias do masztu wykonywany z pre-pregów węglowych w firmie Urbas Composites. Jego geometria została zoptymalizowana dla zwiększenia sztywności i wytrzymałości, w porównaniu do stalowego odpowiednika.

Przed przystąpieniem do nakładania warstw laminatu w Fibersim definiuje się jednorazowo:

powierzchnię formy
obrys elementu
każdy używany materiał (dzięki dużej bazie danych raczej nie trzeba definiować nowych materiałów)
obrys krawędzi materiału, jeśli występuje on tylko w określonej części elementu rozetę wskazującą kierunek 0° (dodatkowe opcje pozwalają na dostosowanie się do każdego przypadku)

model CAD uwzględniający warstwową strukturę kompozytu — Rys. 7 Wygenerowany przekrój warstw uwzględniający rdzeń

Podczas nadawania kolejnych warstw laminatu wystarczy zdefiniować obrys laminatu już w gotowym produkcie i punkt rozpoczęcia laminowania. Program automatycznie wyznaczy wykrój, który potrzebny jest aby pokryć również część formy, a który po utwardzeniu się laminatu i odformowaniu jest odcinany. Dodatkowo można manipulować sposobem i kierunkiem nakładania płata materiału, co jest bardzo przydatne przy technologii pre-pregów. Po wygenerowaniu siatki pokazującej technologiczność nałożenia takiej warstwy, jeśli nie jesteśmy zadowoleni z wyników, można wprowadzić nacięcia.

Wygenerowane Wykroje Laminatu — Rys. 8 Wygenerowane wykroje

Popularnym sposobem zwiększenia sztywności elementu jest stosowanie kompozytów przekładkowych, co również można zasymulować.

Mając już zamodelowany cały laminat z uwzględnieniem rdzeni, zakładek i deformacji włókien, można przekazać efekty pracy zarówno do warsztatu, gdzie ploter może wycinać odpowiednie płaty (w NX CAM), a laminator, dzięki dokładniej dokumentacji technicznej, może przystąpić do pracy.

orientacja włókien kompozytu — Rys. 9 Kierunki włókien dla każdego elementu siatki

Przed tym jednak warto stworzyć plik wsadowy do oprogramowania obliczeniowego – tutaj: NX NASTRAN – w celu sprawdzenia wytrzymałości danego elementu z uwzględnieniem cięć w włóknie i dokładnym ułożeniem kierunków włókna.

symulacja NX NASTRAN — Rys. 10 Przykładowy wynik z obliczeń wytrzymałościowych elementu w NX NASTRAN

Zastosowanie Fibersim we współpracy z NX umożliwia przeprowadzenie kompletnego procesu opracowania produktu kompozytowego, zapewnia znaczną oszczędność czasu przy tworzeniu projektów kompozytów i wydatnie skraca czas wprowadzania zmian w projekcie, przy jednoczesnym zapewnieniu przestrzegania norm i specyfikacji technicznych kompozytu.