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ANSYS Composite PrepPost – effizientes Composite-Engineering

ANSYS Composite PrepPost

ANSYS Anwendern steht bereits seit vielen Jahren eine hervorragende Element- und Solver-Technologie zur Berechnung von Composites zur Verfügung. Jedoch erfordert die Simulation von Composite-Strukturen bezüglich Faserorientierung und Laminataufbau zusätzlich noch innovative und praxisorientierte Modellierungs- und Auswertungsmöglichkeiten. Basierend auf einem detaillierten Anforderungskatalog aus der Industrie, darunter ein renommiertes Formel 1-Team, wurde ANSYS Composite PrepPost, eine effiziente Simulationsumgebung für geschichtete Composites, entwickelt.

Integration und Verfügbarkeit

Mit der Einführung von  Version 14 ist der ANSYS Composite PrepPost (ACP) auch als Komponentensystem ACP(Pre) und ACP(Post) auf der Workbench Projektseite verfügbar.
Hiermit werden Workbench-typische Funktionalitäten, wie automatische Projektaktualisierung, WB Datei Organisation, Zugriff auf die Engineering Data und das Design Exploration auf den ANSYS Composite PrepPost anwendbar. Des Weiteren ermöglicht die Integration des ANSYS Composite PrepPost in die Workbench eine assoziative Anbindung an alle gängigen CAD-Programme und den DesignModeler.
Design- und Vernetzungsvarianten können somit sehr effizient durchgespielt werden, da alle composite-spezifischen Features CAD-basiert und automatisierbar zu definieren sind. Daneben ist ANSYS Composite PrepPost auch über ANSYS Classic verfügbar. Ferner ist ANSYS Composite PrepPost über Python im Pre- und Postprocessing skriptfähig und damit vollständig automatisierbar.
Mit ACP Version 14 wird eine Anbindung an die explizite Dynamik möglich. Hierdurch erweitern sich die Analysemöglichkeiten von Verbundstrukturen mit dem ANSYS Composite PrepPost auf den Bereich der expliziten Analysen mit ANSYS STR.

Kombinieren Sie jetzt ESAComp und ANSYS Composite PrepPost: Nutzen Sie die umfangreiche Materialdatenbank von ESAComp und decken Sie von der Vorauslegung bis hin zur Detailsimulation alle Phasen der Entwicklung und Auslegung von langfaser-verstärkten, geschichteten Composite-Bauteilen ab. Mehr Information unter:
ANSYS Composite PrepPost & ESAComp Bundle

Materialdefinition und Koordinatensysteme

Für die Modellierung geschichteter Composite-Strukturen stellt der ANSYS Composite PrepPost dem Anwender ein breites Spektrum an effizienten Funktionalitäten zur Materialdefinition zur Verfügung. Je nach Bedarf oder Präferenz kann der Anwender mittels Fabrics, Stack-ups und Sub-laminates das Composite aufbauen.

Innerhalb der Engineering Data auf der Workbench Projektseite werden die für die FE-Berechnung nötigen Materialkenngrößen, inklusive versagensrelevanter Parameter, definiert. Zusätzlich sind in einer eigenen Datenbank Werkstoffeigenschaften von gängigen Composite- Werkstoffen hinterlegt. Schichtdicken und materialspezifische Eigenschaften, wie Kostenwerte zur Materialkostenbestimmung, sowie Drapierbarkeiten zur Bewertung der Herstellbarkeit werden im ANSYS Composite PrepPost beschrieben.

Als Grundlage für die Definition der Faserorientierung unterstützt ANSYS Composite PrepPost kartesische, zylindrische und sphärische Koordinatensysteme, die schnell und einfach über Selektion zu definieren sind.

Die Darstellung sogenannter Polarplots von Ein- und Mehrschichtverbundsystemen (Fabrics, Stack-ups und Sub-laminates), sowie die Berechnung der hierzu gehörigen Steifigkeitseigenschaften, auf der Basis der klassischen Laminattheorie , vervollständigen die Möglichkeiten im Preprocessing.

Das Oriented Element-Set Concept

Hinsichtlich der besonderen Anforderungen für die Modellierung von geschichteten Composite-Werkstoffen, nutzt ANSYS Composite PrepPost das Concept of oriented Element-Sets.
Für jede orientierte Elementgruppe kann der Anwender die Auflegerichtung für die Herstellung sowie die 0°-Richtung des Materials zuweisen. Mehrfach orientierte Elementgruppen können sich überlappen und gleichzeitig unterschiedliche Auflegerichtungen haben, was eine einzigartige Möglichkeit der einfachen unsymmetrischen Laminatdefinition ergibt.

Zusätzlich kann durch die Auswahl mehrerer Basiskoordinatensysteme und deren Überlagerung auch eine veränderliche 0°-Richtung des Materials realisiert werden.

Definition und Kontrolle des Lagenaufbaus

Das Laminat selbst wird über eine globale Liste an abzulegenden Lagen beschrieben, die als Fabrics, Stack-ups und Sub-laminates definiert sein können. Es wird dabei der Winkel in Bezug auf die Referenzrichtung vorgegeben. Bei Stack-ups und Sub-laminates wird dennoch jede einzelne Schicht FE-technisch berücksichtigt. Dies ermöglicht eine klare, herstellprozessorientierte Definition und dennoch eine akkurate Berechnung von Versagenskriterien. Das Postprocessing von Stack-ups und Sub-laminates wird entsprechend schichtenweise ausgeführt.

Zur Kontrolle des Lagenaufbaus lassen sich ferner Schnitte durch das Laminat legen und der Querschnitt überhöht darstellen.

Sensoren, Solid Modeling, Ply-book und weitere Pre-processing Features

Sensoren in ANSYS Composite PrepPost ermöglichen die Berechnung von verwendeten Materialmengen und Materialkosten. Das Gewicht, die Menge und die Kosten der Composite-Struktur lassen sich damit per Knopfdruck ausgegeben.

Bei Composites-Analysen mit FEM denkt man meist an Schalenmodellen. Der ANSYS Composite PrepPost versteht sich auch mit Volumen! Insbesondere in Bereichen in denen die Schalentheorie nicht mehr ausreicht, helfen Solids weiter. Hierzu lässt sich die Schalenstruktur mitsamt dem Lagenaufbau in Teilbereichen in eine Solidstruktur extrudieren.

Die Möglichkeit der Anbindung der Komponentensysteme ACP(Pre) und ACP(Post) an das Mechanical APDL, ermöglicht eine durchgängige Bearbeitung von Volumenstrukturen. Nach der Extrusion einer Schalenstruktur im ACP(Pre) und der Definition von Randbedingungen im Mechanical APDL, erfolgt das Postprocessing der Volumenstruktur im ACP(Post).

Bei der Definition von Oriented Element Sets als auch den einzelnen Lagen kann die Verwendung einer Rule nützlich sein. Rules sind in ANSYS Composite PrepPost räumliche Masken und schränken die Selektion von Elementen im Oriented Element Set ein. Räumliche Abstufungen von Lagen lassen sich damit effizient realisieren und werden somit einer Optimierung erschlossen.

Das Ply-Book zeigt zum Schluss in einer übersichtlichen Darstellung die Eigenschaften einzelner Lagen oder des Gesamtbauteils sowie die Anleitung zu deren Herstellung. Individuell formiert lässt sich das Ply-Book im HTML-, PDF- oder ODT-Format erzeugen.

Post-processing für Composites

Vorbei ist das schichtweise Durchforsten der Resultate auf der Suche nach kritischstem Reservefaktor oder Safety of Margin. ANSYS Composite PrepPost ermöglicht eine effiziente Versagens-Analyse unter Berücksichtigung verschiedenster, auch kombinierter Versagenskriterien. Je nach Anwendungsgebiet wie Luft und Raumfahrt oder Formel 1, werden unterschiedliche Versagenskriterien angewendet. Im ACP sind folgende Kriterien implementiert:

  • Sandwich/ Versagenskriterien wie Deckschichtknittern und Kernversagen in Schub und Zug
  • 2D und 3D Versagenskriterien wie Puck, Cuntze, LaRC, Hashin, max. Strain und Stress, Tsai-Wu und Tsai-Hill (interlaminare Schub- und Normalspannungen werden berücksichtigt)

In einem Contourbild wird gleichzeitig der kritischste Reservefaktor, der entsprechende Versagensmodus, die versagende Schicht als auch der dazugehörende Lastfall dargestellt. Mit einem Blick lassen sich damit die kritischen Bereiche und Lastfälle identifizieren.

Dicke und gekrümmte Laminate können signifikante Spannungen in Dickenrichtung des Laminats generieren. Für eine akkurate Bewertung innerhalb einer Versagensanalyse sind diese Spannungen unbedingt zu berücksichtigen. Hier bietet ANSYS Composite PrepPost die Möglichkeit die Spannungen in Dickenrichtung sowie die transversalen Schubspannungen einer Schalen lagenweise neu zu berechnen und damit Versagenskriterien mit dem vollständigen 3D Spannungszustand zu berechnen.

Die Darstellung beliebiger Ergebnisverläufe in einem Querschnitt komplementiert die Möglichkeiten im Postprocessing.

Drapieren

ANSYS Composite PrepPost bietet neben einem Drapieralgorithmus auch eine Schnittstelle, um eigene Drapiertechniken einbinden zu können. Gebiete mit starker Verzerrung des Materials im Herstellprozess lassen sich damit frühzeitig erkennen und bzgl. der Drapierrichtung oder des Drapierbeginnpunktes optimieren.
Zusätzlich lässt sich mit der Abwicklung der einzelnen Lage (flat-wrap) der nötige Zuschnitt der Lage berechnen und somit als Schnittmuster verwenden und exportieren.

Composite CAE Interface

Durch die neugeschaffene bidirektionale Schnittstelle lassen sich Informationen zu Lagenaufbau, Material, Faserorientierung und Ergebnisse einer Drapiersimulation zwischen CAE und CAD optimal austauschen. Die im HDF5 Format gegebenen Daten werden hierbei netzunabhängig übertragen. Somit lassen sich sowohl im ACP wie auch in FiberSIM (VISTAGY) definierte Lagenspezifikationen untereinander austauschen.
Hierdurch verschmelzen Simulation und Konstruktion im Entwicklungsprozess.