Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Текстильных изделий нового поколения


Технологии/Текстильных изделий нового поколения/Моделирование текстиля и текстильных композитов методом конечных элементов

Моделирование текстиля и текстильных композитов методом конечных элементов

08 ноября 2007
Технический текстиль №15, 2007

Труевцев Николай Николаевич

В рамках 22-й коференции BEM-FEM по инициативе проф. С. Ломова (Католический университет Лёвена и СПГУТД) 26-28 сентября 2007 г. в С.-Петербурге был проведен симпозиум «Моделирование текстиля и текстильных композитов методом конечных элементов». 

Организовали симпозиум Департамент металлургии и материаловедения Католического университета Лёвена, Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна и секция строительной механики и надежности конструкций Санкт-Петербургского Дома ученых РАН им. А.М. Горького.

В ученый комитет симпозиума вошли С. Ломов (председатель), Ф. Буасс (Ph. Boisse), INSA, Лион, М. Зако (M. Zako), Университет Осаки, Ю. Рутман, КОНБИ, С.-Петербург, Н. Труевцев, СПГУТД, Дж. Уиткомб (J. Whitcomb), A&M университет Техаса), И. Ферпуст (I. Verpoest) КУ Лёвен, В. Чайкин (СПГУТД). Организационный комитет симпозиума в СПГУТД возглавлял А. Омельченко, практическая организация симпозиума легла на плечи Н. Маценовой.

Тема симпозиума весьма актуальна в связи со все более широким использованием композитов, армированных текстильными материалами в авиа- и автостроении, средствах транспорта, строительстве, медицинском оборудовании, спортивном снаряжении. Применение текстильных композитов в ответственных компонентах (например,  в несущих деталях корпуса Аэробуса-380) требует достоверного расчета на жесткость, прочность и усталость, что невозможно без применения конечно-элементных методов (КЭМ), в том числе - на «мезоуровне», т.е. с учетом сложной архитектуры переплетения нитей в текстильном армировании.

В симпозиуме приняли участие 45 специалистов из 14 стран (Бельгия, Великобритания, Германия, Голландия, Испания, Италия, Латвия, Россия, США, Франция, Чехия, Швеция, Южная Африка, Япония). Было прочитано 35 докладов и представлено 6 стендовых докладов. Тематика докладов охватывала следующие направления:

  • Моделирование текстильных композитов, в том числе процессов разрушения в них
  • Моделирование деформирования тканей
  • Расчет течения жидкости и газа через текстильные материалы
  • Баллистические защитные свойства ткани

Были прочитаны (по специальному приглашению организаторов) три леции:

  • Ф. Буасс (Ph. Boisse), Национальный институт прикладных наук, Лион, Франция «Конечно-элементное моделирование деформирования текстильных материалов»
  • М. Зако (M. Zako), Университет Осаки, Япония «Конечно-элементное моделирование процессов разрушения текстильных композитов»
  • Дж. Уиткомб (J. Whitcomb), A&M университет Техаса, США «Механика нагружения текстильных композитов»

Конечно-элементное моделирование текстильных структур (в том числе композитов, армированных текстильными материалами) - интенсивно развивающееся направление механики композитов и текстиля. Симпозиум в определенной степени подвел итоги развития этого направления.

Общий вывод из представленных на симпозиуме докладов, можно сформулировать так: в настоящее время КЭМ текстиля и текстильных композитов достигло уровня развития, поставившего на повестку для создание специализированных интегрированных программных средств, включающих:

  • препроцессор для построения геометрии текстиля,
  • программные средства для построения КЭ сетки, постановки специфических граничных условий, решения КЭ задачи,
  • постпроцессор для визуализации результатов.

Такие программы смогут работать с практически важными и структурно сложными архитектурами текстиля (например, трехмерным тканым или плетеным армированием композитов), меняя «на лету» параметры геометрии и механические свойства материалов, позволяя расчетчику быстро отвечать на запросы конструктора о материале как при простом упругом его поведении, так и при сложном, с пластичностью и локальной повреждаемостью.

Результатом обсуждения, в частности, стало решение участников создать банк данных для подтверждения адекватности разрабатываемых конечно-элементных моделей. Сообщество исследователей получит возможность использовать прошедшие критическую оценку результаты экспериментов для проверки обоснованности предположений и упрощений, лежащих в основе той или иной модели, отделения численных артефактов модели от реальных физически обоснованных эффектов, оценки достоверности предсказания таких сложных явлений как разрушение композиционных материалов или детали течения жидкости через текстильную структуру.

Подробное предложение о банке данных будет представлено членами ученого комитета симпозума на Европейской конференции по композиционным материалам (Стокгольм, июнь 2008).

Обзор докладов симпозиума. Общий подход к КЭМ текстиля и текстильных композитов, представленный в докладе С. Ломова, схематически показан на рис.1.

Доклад Дж. Уиткомба (J. Whitcomb) исследовал вопрос о том, как можно выделить качественно значимые черты сложных полей напряжений и деформаций, получаемых в результате КЭ расчета, как привести эти результаты к виду, удобному для практического анализа при конструировании изделий из текстильных композитов.

М. Зако (M. Zako), отталкиваясь от схемы рис. 1, провел анализ существующих подходов к построению КЭМ текстильных композитов, учитывающих повреждаемость связующего и пропитанных нитей. Он показал примеры сложных структур материалов, которые могут быть рассчитаны с помощью разработанной под его руководством программы MeshTex (рис. 2).

Ф. Буасс (Ph. Boisse) сделал обзор моделей деформирования непропитанной ткани. Такие модели (рис. 3) должны учитывать сложное нелинейное поведение текстильных нитей при сжатии, изгибе и растяжении. Результаты моделирования на уровне ячейки периодичности ткани позволяют получить исходные данные для макрорасчета формуемости текстильного армирования.

Выступления этих специально приглашенных организаторами специалистов задали тон (keynote) дискуссиям во время симпозиума.

Построение КЭ модели начинается с геометрической модели ткани. С. Ломов и Дж. Крукстон (J. Crookston) представили программные средства, позволяющие строить сложные модели текстиля - тканых, вязаных, плетеных материалов: WiseTex и TexGen. Преобразование этих геометрических моделей в КЭ сетки обсуждалось в докладах Д. Иванова, Б. Ван ден Бруке (B. Van den Broucke), Э. Ривы (E. Riva), А. Продрому (A. Prodromou), Ж. Хиве (G. Hivet), Й. Киосева (Y. Kiosev). При этом преобразовании решаются сложные проблемы, связанные с взаимопроникновением объемов нитей. Методы взаимного наложения КЭ сеток, позволяющие эффективно и элегантно эти проблемы решить, предложены Х. Накаи (H. Nakai) и Э. Ярве (E. Iarve). С. Лукато (S. Lukato) представил так называемую «бинарную модель», основанную на комбинации стержневых элементов для описания нитей и трехмерной КЭ сетки в связующем.

Особого внимания заслуживают КЭМ, в которых моделируются не нити с осредненными, пусть и нелинейными свойствами, а нити как конгломерат отдельных волокон. Такие модели, представленные в докладах Г. Финка (H. Finckh) (рис. 4) и Д. Дюрвиля (D. Durville) (рис. 5) открывают путь к детальному описанию геометрии и механики текстиля, в том числе с учетом мехволоконных взаимодействий.

Важной областью приложения КЭ моделирования на уровне ячейки периодичности является описание повреждаемости и разрушения композитов. На симпозиуме (доклады М. Зако, Д.С. Иванова, Б. Ван ден Бруке, Л. Ашенбреннера (L. Aschenbrenner)) было обращено особое внимание на трудности общепринятого подхода, основанного на применении механики повреждаемости. Как выясняется, этот подход приводит к численным парадоксам и может предсказывать нефизическое развитие разрушения в композите. В связи с этим особое значение приобретают методы экспериментального наблюдения деформирования и разрушения композитов на мезо-уровне, в частности, оптические методы, применение которых для подтверждения правильности КЭ расчетов было показано Э. Ривой и С. Ивановым.

С. Ханаки (S. Hanaki) и А. Сукелс (A. Sukels) моделировали разрушение текстильных композитов в процессе усталостного нагружения. В первом из их докладов было предложено распространение методов, принятых для моделирования деформирования и разрушения в квазистатическом режиме (рис. 1), на случай усталостного, происходящего во времени процесса. Характеристики демпфирования текстильных композитов, тоже связанные с временным нагружением, исследовались и моделировались П. Вожковой (P. Vozkova) и Й. Наканиши (Y. Nakanishi).

Специфические текстильные изделия исследовались в докладах В. Карвелли (V. Carvelli) и Н. Толосана (N. Tolosana): в первом - специальные ткани для шелкографии, причем мезо-КЭ модель связывалась с макромоделью печатного цилиндра, во втором - трехмерные плетеные материалы.

Материалы для индивидуальной баллистической защиты (рис. 6) исследовались Дж. Броосом (J.P.F. Broos) и С.Сапожниковым, нетканые материалы - А. Патнайком (A. Patnaik). Для описания сложного поведения текстиля в этих процессах могут быть применены модели, представленные О. Столяровым и П. Дятловой.

Процессы течения газа и жидкости через текстильные материалы исследовались Х. Ченом (X. Chen) и Л. Оргеа (L. Orgeas). Последний применил точную (разрешение 2 мкм) микро-рентгеновскую томографию для регистрации деталей геометрии тканых и нетканых материалов (рис. 7).

Доклады симпозиума 1 изданы на CD.

ПРИМЕЧАНИЯ

 

1  Программа симпозиума. «Моделирование текстиля и текстильных композитов методом конечных элементов»

Keynotes

  • Ph. Boisse        Finite element modelling of textile deformations at meso and macro scale
  • J. Whitcomb    Mechanics of load flow in textile composites
  • M. Zako          FE and damage modelling in textile composites

Textile composites

  • S.V. Lomov, D.S. Ivanov, B. Van Den Broucke, I. Verpoest, M. Zako, T. Kurashiki, H. Nakai, S. Hirosawa           Meso-FE modelling of textile composites: road map, data flow and algorithms
  • B. Van Den Broucke, J. Hegemann, R. Das, R. Oster, K. Hackl, R. Stößel    Modelling of textile reinforced composites using finite element tools and investigation of the influence of porosity on mechanical properties
  • S. Ivanov, D. Ivanov, S.V. Lomov, I. Verpoest           Modelling of mechanical behaviour of textile glass-polypropylene composite
  • A. Prodromou, S.V. Lomov, I. Verpoest         Mechanical properties of textile composites: analytical vs. numerical models
  • J.J. Crookston, W. Ruijter, A.C. Long, N.A. Warrior, I.A. Jones       A comparison of mechanical property prediction techniques using conformal tetrahedra and voxel-based finite element meshes for textile composite unit cells
  • E. Riva, G. Anzelotti, G. Nicoletto,      Mesomechanical finite element analysis of woven composites and a localized experimental validation
  • A. Šukels, V. Tamužs  Fatigue damage modeling in woven composite material in off axis loading
  • E.V. Iarve,  D. Mollenhauer,  E. Zhou,  T.J. Whitney   Stress analysis in complex fiber architecture composites:  independent mesh method
  • Y. Nakanishi, K. Matsumoto, M. Zako           Woven structure effect on material damping properties of woven composites
  • H. Nakai, T. Kurashiki, M. Zako         A modeling technique of textile composites with individual models by the mesh superposition method
  • L. Aschenbrenner, D. Hartung, J. Teßmer        Analysis of textile composite structures with finite volume-p-elements
  • V.Koissin, S.V.Lomov, I.Verpoest      Meso-scale modelling of structurally stitched preform

Damage in textile composites

  • B. Cox, S. Lukato       The role of length scales in high-fidelity damage simulations
  • S. Hanaki, S.V. Lomov, I. Verpoest, M. Zako, H. Uchida      Estimation of fatigue life for textile composites based on fatigue test for unidirectional materials
  • B. Van Den Broucke, P. Middendorf, S.V. Lomov, I. Verpoest          Modelling of damage in textile reinforced composites: micro-meso approach
  • D. Ivanov, L. Gorbatikh, S.V.Lomov, I.Verpoest        Criterion of damage zone propagation in damage mechanics of textile composites
  • L. Hamitouche, M. Tarfaoui, A. Vautrin,          FEA of progressive failure modeling of stitched laminated composites materials using cohesive element

FEA of a unit cell of dry fabric

  • H. Finckh         Textile micromodels as a result of idealized simulation of production processes
  • W. Renkens, Y. Kyosev          Geometrical modelling of warp knitted fabrics
  • D. Durville       Finite element simulation of textile materials at mesoscopic scale
  • V. Carvelli, C. Poggi    Numerical tools for design and assessment of monofilament technical textiles
  • N. Tolosana, S.V. Lomov, A. Miravete           Development of a geometrical model for a 3D braiding unit cell based on braiding machine emulation
  • G. Hivet, Ph. Boisse     Consistent geometrical description and finite element modeling of woven fabrics. Application to compaction
  • A. Patnaik, J. Gonsales, R.D. Anandjiwala      Modelling pore size distribution in needle punched nonwoven structures using finite element analysis
  • Y. Kyosev       Model generator for tubular braided fabrics
  • P. Vozkova      Properties (resonance frequencies) modelling in the woven reinforced composites

Flow through textiles

  • X. Chen, A. Nazarboland, R. Lydon, M. Moss           FE modelling of liquid flow through woven fabrics
  • F. Loix, L. Orgéas, C. Geindreau, P. Badel, Ph. Boisse           Flow of non-Newtonian viscous fluids through textiles

Textile fabrics as macro-objects

  • J.P.F. Broos, K. Herlaar, B.D. Heru Utomo, C. van 't Hof,  M.J. van der Jagt-Deutekom      Explicit FE modelling of ballistic impacts on textile armour systems
  • S.B. Sapozhnikov, M.V. Forental, N.Yu. Dolganina    Improved methodology for ballistic limit and blunt trauma estimation for use with hybrid metal/textile body armor
  • O. Stolyarov, Y. Kyosev, A. Truevtsev, A. Stalevich   A non-linear viscoelastic model for predicting the tensile and stress relaxation behaviour of weft-knitted fabric
  • P. Dyatlova, E. Polyakova, V. Chaikin On the numerical methods of studying the interaction of soft shells with solids' surfaces
  • E. Polyakova, P. Dyatlova, Kh. Abdulrazzak   A plane deformation of a fabric on which the forces affixed on its boundary operate

Experimental

  • V. Hanisch, F. Henkel, Th. Gries         Drapability of NCFs with varying machine settings
  • V. Vlasenko, S. Kovtun, S. Bereznenko          Application of longitudinal resonance vibration method for investigation of textile visco-elastic properties

КОМПАНИИ И ТОРГОВЫЕ МАРКИ, УПОМЯНУТЫЕ В СТАТЬЕ

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ