COMSOL Composite Materials Module 5.5

5.5

NOVEDADES

La versión 5.5 trae contacto en cáscara con capas, hiperelasticidad, plasticidad, piezoelectricidad, activación, dalaminación, nuevo criterios de fallos y acoplamiento multifísico para cáscaras con capas en combinación con flujo fluido y acústica.

Material piezoeléctrico en interfaz de cáscara con capas
La adición de las capacidades de modelado de material piezoeléctrico a la interfaz Layered Shell posibilita modelar dispositivos piezoeléctricos delgados y sensores donde un material piezoeléctrico es embebido en un laminado compuesto. Se ha añadido una nueva interfaz multifísica, Piezoelectricity, Layered Shell para una configuración conveniente de los modelos. Combina las dos interfaces físicas Layered Shell y Electric Currents in Layered Shells con un acoplamiento multifísico Layered Piezoelectric Effect. Puede verse esta funcionalidad en el nuevo modelo Piezoelectricity in a Layered Shell. Nótese que para acceder a esta funcionalidad es necesario disponer de AC/DC Module o MEMS Module además de Structural Mechanics Module y Composite Materials Module.

Una cáscara con capas con una capa piezoeléctrica incrustada en el medio. La compresión axial y el desplazamiento fuera del plano se muestran en la capa piezoeléctrica (gráfico de estructura metálica en color) y en capas de metal (gráfico de color).

Material hiperelástico en la interfaz de cáscara con capas
La adición de materiales hiperelásticos a la interfaz Layered Shell posibilita modelar grandes tensiones en conchas compuestas donde algunas de las capas están hechas de goma u otros tipos de elastómeros. Téngase en cuenta que para acceder a esta funcionalidad, se necesita el módulo Nonlinear Structural Materials Module además de los módulos Structural Mechanics Module y Composite Materials Module.

Un panel compuesto sándwich que tiene capas elásticas lineales externas (material compuesto) y una capa hiperelástica media (material de goma), que se ha resaltado.

Plasticidad en cáscaras con capas
La adición de la funcionalidad Plasticity al nodo Linear Elastic Material en la interfaz Layered Shell permite modelar la deformación plástica en capas seleccionadas de un laminado compuesto, por ejemplo, las capas metálicas externas de una estructura tipo sándwich. Los modelos de plasticidad son los mismos que en la interfaz Solid Mechanics, con la excepción de que se supone que las deformaciones plásticas son pequeñas. Téngase en cuenta que para acceder a esta funcionalidad se necesita el módulo Nonlinear Structural Materials Module además de los módulos Structural Mechanics Module y Composite Materials Module.

Una cáscara con capas en la que se modela la plasticidad en las capas superior e inferior, que se han resaltado.

Activación de material en la interfaz de cáscara con capas
La adición de la funcionalidad Activation al Linear Elastic Material en la interfaz Layered Shell posibilita el análisis del estado de tensión en un laminado compuesto donde ciertas capas son añadidas o eliminadas, lo que es útil cuando se desea modela la adición de material durante procesos como una fabricación aditiva.

Activación de material en una cáscara con capas donde la activación se utiliza en las dos capas superiores del contorno medio.

Modelado de contacto en la interfaz de cáscara con capas
La funcionalidad de modelado de contacto se ha añadido a la interfaz Layered Shell. Se puede analizar el contacto entre contornos de cáscara con capas y contornos modelados utilizando otras interfaces físicas estructurales o incluso una superficie mallada arbitrariamente sin ninguna interfaz física adjunta. El contacto se considera sin fricción.

Distribución de tensión en diferentes capas de un laminado compuesto mientras se modela el contacto con una superficie cilíndrica.

Delaminación en la interfaz de cáscara con capas
Un modo de fallo común en compuestos por capas es el fallo interfacial o delaminación entre las capas. Ahora se puede modelar delaminación progresiva utilizando la nueva funcionalidad Delamination en la interfaz Layered Shell. Existe varios modelos diferentes de zona cohesiva basada en energía y basada en desplazamiento disponibles para describir el daño junto con diferentes leyes de separación de tracción. Cuando dos capas están en un estado delaminado, ya sea inicialmente o después de aplicar una carga, todavía habrá una condición de contacto para evitar la penetración entre las capas. Esta funcionalidad se utiliza en los modelos Mixed-Mode Delamination of a Composite Laminate y Progressive Delamination in a Laminated Shell.

Un laminado compuesto experimentando fallo interfacial (o delaminación) bajo carga compresiva. La zona dañada se muestra en rojo para diferentes valores de carga. La carga aplicada y el área de daño toal en el laminado pueden verse por comparación.

Nuevos criterios de fallo para cáscaras con capas
Utilizando la funcionalidad Safety se puede calcular la integridad estructural utilizando muchos criterios de fallo diferentes. Se han añadido un conjunto de nuevos crterios de fallo para compuestos de fibra en la interfaz Layered Shell y en el nodo Layered Linear Elastic Material de la interfaz Shell. Estos nuevos criterios son:

• Zinoviev
• Hashin–Rotem
• Hashin
• Puck
• LaRC03

Nuevos acoplamientos multifísicos para la interfaz de cáscara con capas
Se han añadido nuevos acoplamientos multifísicos para la interfaz Layered Shell para proporcionar acoplamientos con flujo de fluido y acústica. Ahora se puede modelar con precisión laminados compuestos interactuando con dominios de fluido en diferentes aplicaciones con el acoplamiento Fluid-Structure Interaction. Con el Acoustics Module, también se puede modelar los acoplamientos multifísicos Acoustics-Structure Boundary, Thermoviscous Acoustic-Structure Boundary, Aeroacoustics-Structure Boundary, y Porous-Structure Boundary.

Ejemplo de una interacción acústica-cáscara con capas donde las superficies superior e inferior de un laminado son acopladas a los dominios acústicos circundantes.

Nuevos acoplamientos estructurales para la interfaz de cáscara con capas
Los laminados compuestos a menudo están conectados con elementos o cáscaras estándar en diferentes configuraciones para modelar estructuras del mundo real. Se han añadido dos nuevos acoplamientos estructurales a la interfaz Layered Shell para proporcionar diferentes tipos de acoplamientos a elementos cáscara y sólido: Layered Shell - Structure Cladding y Layered Shell - Structure Transition. Esta funcionalidad se muestra en el modelo Connecting Layered Shells with Solids and Shells.

Una cáscara con capas conectada a elementos sólidos y cáscara en configuraciones de revestimiento y transición. Se muestra la distribución de tensión en la cáscara con capas (gráfico de colores sólido) así como en los miembros sólido y cáscara (gráfico de estructura alámbrica en color).

Material elástico lineal con capas en las interfaces de cáscara y membrana
La funcionalidad Layered Linear Elastic Material ha mejorado su integración con cáscaras y membranas. Este modelo de material se ha añadido a la interfaz Membrane donde puede ser utilizado para modelar laminados muy finos con poca rigidez al doblado. Este modelo de material también puede ser utilizado ahora en la interfaz Shell en 2D axisimétrico, mientras que previamente solo estaba disponible en geometrías 3D.

En la versión 5.5, las cáscaras de una única capa y las membranas están disponibles utilizando el Structural Mechanics Module. Con el Composite Materials Module, estos análisis pueden extenderse para cáscaras multicapa y membranas, donde cada capa puede ser aumentada para incluir expansión térmica o viscoelasticidad. Si se dispone también del Nonlinear Structure Materials Module, también están disponibles plasticidad y arrastre.

Formulación mixta en cáscaras con capas
Los materiales casi incompresibles pueden causar problemas numéricos si solo se utilizan los desplazamientos como grados de libertad. Para evitar este tipo de problemas en una cáscara en capas, se han añadido formulaciones mixtas basadas en presión y en deformación en la interfaz Layered Shell.

Selección de formulación mixta en una cáscara con capas

Grosor de capa variable en cáscaras con capas
Ahora se puede modelar una o más capas de un laminado compuesto con un grosor que es una función de las coordenadas. Esta nueva funcionalidad está disponible a través del nuevo ajuste Scale en los nodos Layered Material Link y Layered Material Stack. Las capas con grosor variable están soportadas en la interfaz Layered Shell, así como en el nodo Layered Linear Elastic Material en las interfaces Shell y Membrane.

Un panel compuesto tipo sandwich con un grosor variable en la capa media (mostrada en magenta).

Opción de transformación en materiales con capas
Ahora se pueden realizar varias operaciones de transformación al definir una secuencia de apilado de laminados. Esta nueva funcionalidad está disponible a través del ajuste Transform en los nodos Layered Material Link y Layered Material Stack. Los tipos de transformación son Symmetric, Antisymmetric y Repeated. Esto facilita modelar secuencias de apilado complejas definiendo únicamente la mitad de la secuencia de apilado para laminados simétricos/antisimétricos y una unidad simple en caso de laminados repetidos.

Creación de un laminado antisimétrico utilizando la nueva funcionaliad de transformación en el nodo Layered Material Link.

Nuevas opciones para selección de interfaz
En los nodos físicos que tienen el ajuste Interface Selection, ahora existe una manera directa para seleccionar ciertas posiciones de interfaz comunes: arriba, abajo, exterior, interior, o todo. Esto hace que la configuración del modelo sea más conveniente y fácil de entender. Algunos nodos físicos comunmente aplicables en la interfaz Layered Shell son Face load, Delamination y Thin Elastic Layer.

Opciones para seleccionar la interfaz en la que se aplica una carga de cara.

Visualización de geometría sólida 3D
Cuando se modelan estructuras laminadas complejas es útil visualizar la correspondiente geometría sólida 3D, que ahora se muestra automáticamente en un nuevo gráfico por defecto en la interfaz Layered Shell. Se genera un gráfico de superficie gris del conjunto de datos Layered Material (Undeformed Geometry).

Representación geométrica del sólido 3D (escalada en la dirección del grosor) de un laminado compuesto con seis capas.

Visualización de drapeado de fibra
Cuando se configura un modelo de material con capas, la secuencia de apilado puede visualizarse utilizando gráficos de previsualización, creados utilizando una geometría abstracta. Sin embargo, a menudo existe una necesidad de visualizar el drapeado de fibra en la geometría física. Como algo nuevo en la versión 5.5, los gráficos por defecto se crean para visualizar la dirección de la fibra en cada capa en la geometría física, aplicable para modelos que utilizan la interfaz Layered Shell o Shell.

Primera dirección de material principal mostrando la dirección del drapeado de fibra en cada capa de un cilindro compuesto.

Mejoras en el conjunto de datos de materiales con capas
El conjunto de datos Layered material utilizado para graficar y evaluar los resultados de la cáscara con capas, tiene nuevas opciones para poder seleccionar capas o interfaces para su evaluación. Esto hace mucho más fácil el postprocesado de un laminado compuesto, ya que antes solo estaba disponible la selección de contornos. También hay una nueva opción de posición a través del grosor cuando se evaluan en un nodo Derived Values. Esta funcionalidad se muestra en el nuevo modelo Connecting Layered Shells with Solids and Shells.

Opción para seleccionar capas en el conjunto de datos Layered Material para graficar una variable solo en las capas seleccionadas.

Mejoras en el gráfico de corte de material con capas
El gráfico Layered Material Slice ahora tiene soporte para crar múltiples cortes automáticamente. Adicionalmente, en esta versión se ha añadido la siguiente nueva funcionalidad:

• Graficado en interfaces (antes solo disponible en capas)
• Graficado en múltiples capas utilizando planos medios de capas u opciones similares
• Definción de un formato al utilizar múltiples cortes
• Añadir nombres de capa para cada corte

El gráfico Layered Material Slice es un gráfico importante para laminados compuestos y la nueva funcionalidad simplifica los pasos requeridos para graficar resultados

Opción para escoger planos medios de capa y definir la disposición en el gráfico Layered Material Slice para graficar una variable en varias capas utilizando un único nodo de gráfico.

Mejoras en el gráfico a través del grueso
Para un laminado compuesto con un gran número de capas, añadir líneas de interfaz incrementa la claridad de un gráfico Through Thickness. En la versión 5.5 se pueden añadir estas líneas de interfaz automáticamente. Además ahora se puede graficar la variación a través del grueso de una variable que se defina únicamente en un subconjunto de las capas de un laminado.

Visualización de cargas
Ahora las cargas mecánicas aplicadas están disponibles como gráficos por defecto en todas las interfaces físicas de mecánica estructural. Los gráficos de cargas son dependientes de la solución, así que tanto las direcciones como los colores de las flechas son actualizados cuando un conjunto de datos se actualizado con una nueva solución. Incluso las cargas abstractas como las fuerzas y momentos aplicados a conectores rígidos y dominios rígidos, son graficados en su verdadero punto de aplicación. Un nuevo tipo de flecha, utilizado para graficar momentos aplicados, ha sido introducido para esta funcionalidad. Más de 100 modelos están actualizados con esta nueva funcionalidad.

Tres conjuntos de cargas graficados en un modelo de un tubo.