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Module Composite Materials

Modéliser les structures composites pour améliorer la conception des produits

Un matériau composite est un matériau hétérogène composé de deux ou plusieurs constituants intégrés pour améliorer les performances structurelles. Le module Composite Materials est une extension du module Structural Mechanics qui vous apporte des outils de modélisation spécialisés et des fonctionnalités pour l'analyse des structures composites stratifiées. Les matériaux composites stratifiés, tels que les polymères renforcés par des fibres, les plaques laminées et les panneaux sandwichs, sont largement utilisés dans la fabrication de composants aéronautiques, d'engins spatiaux, de pales d'éoliennes, de composants automobiles, de bâtiments, de coques de bateaux, de bicyclettes et d'équipements de sécurité.

Lorsque vous combinez le module Composite Materials avec d'autres modules de la suite de produits COMSOL, vous étendez vos modèles pour inclure le transfert de chaleur, l'électromagnétisme, l'écoulement de fluide, l'acoustique et les effets piézoélectriques, le tout dans le même environnement de simulation.

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Trois pales d'éoliennes montrant la contrainte sur le revêtement (à gauche), la contrainte sur les longerons (au milieu), et le système de coordonnées locales de la coque (à droite).

Théorie des stratifiés pour définir et visualiser les stratifiés

L'analyse des coques composites stratifiées est généralement basée sur la théorie de l'élasticité tridimensionnelle ou la théorie de la couche équivalente (ESL).

Le module Composite Materials utilise la technologie spécialisée des matériaux multicouches et fournit deux approches qui peuvent être utilisées pour modéliser les coques composites avec précision: la théorie par couches et la théorie de couche équivalente. L'approche par couche est adaptée aux coques composites épaisses à modérément fines avec un nombre limité de couches. L'approche couche équivalente convient aux coques minces à modérément épaisses et peut contenir de nombreuses couches sans impact significatif sur les performances. En utilisant ces théories, vous pouvez optimiser l'empilement d'un stratifié et d'autres paramètres en effectuant des analyses multi-échelles, multi-physiques, et diverses analyses de ruptures.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Composite Materials

Effectuez diverses analyses structurelles pour les stratifiés composites avec le logiciel COMSOL®.

Une vue rapprochée d'un modèle de cellule unitaire avec une fibre et de la résine.

Micromécanique/Macromécanique

Calculez les propriétés homogénéisées des matériaux et les réponses macroscopiques des composites stratifiés.

Une vue rapprochée des macro et micro-contraintes dans le matériau composite.

Multiscale Analysis

Evaluate the structural response of a composite structure both at the macroscale and at the microscale.

Contrainte et déplacement d'un modèle d'ossature murale métallique.

Matériaux non linéaires1

Incorporez des modèles de matériaux non linéaires dans un composite stratifié.

Une vue rapprochée des différentes valeurs de force de coques stratifiées.

Délamination

Modélisez l'initiation et la propagation de la délamination dans une plaque composite.

Une vue rapprochée du mode de flambage des cylindres composites.

Flambage linéaire

Calculer les facteurs de charge critiques et déformées modales de flambage sous chargement de compression.

Une vue rapprochée d'un modèle de coque stratifiée montrant les facteurs de sécurité de Hoffman.

Rupture de la première couche

Évaluez l'intégrité structurelle d'une coque composite stratifiée.

Une vue rapprochée d'un modèle de composite stratifié montrant l'empilement initial et optimisé.

Optimisation des composites2

Optimisez l'empilement des composites, l'épaisseur des couches, l'orientation des fibres et les propriétés des matériaux.

Une vue rapprochée d'une plaque composite connectée aux domaines solide et coque.

Structural Connections

Couple composite laminates with other structural elements from various structural mechanics interfaces.

  1. Nécessite l'ajout du module Nonlinear Structural Materials.
  2. Nécessite l'ajout du module Optimization

Outils spécialisés pour définir et visualiser les stratifiés

Le module Composite Materials offre un ensemble d'outils spécialisés permettant de visualiser les stratifiés composites constitués de plusieurs couches.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Coque multicouche en surbrillance et un modèle de panneau composite dans la fenêtre graphique.

Approche Layerwise/Interface Coque multicouche

L'interface Coque multicouche, disponible en 3D, fournit une approche basée sur la théorie Layerwise pour une analyse détaillée des stratifiés composites. Les matériaux des différentes couches peuvent être non linéaires. Elle inclut également des fonctions de forme de différents ordres pour le champ de déplacement dans la surface de référence et dans la direction de l'épaisseur. Les résultats incluent des distributions complètes de contraintes et de déformations en 3D, ce qui vous permet de calculer les contraintes interlaminaires et d'étudier les variations de contraintes à l'intérieur de chaque couche.

A close-up view of the Layered Shell–Shell Connection settings and a composite blade in the Graphics window.

Mixed Approach/Multiple Model Method

The Layered Shell interface based on layerwise theory is accurate but computationally expensive. The Shell interface based on an equivalent single layer theory is computationally lean but unable to capture accurate through-thickness results. The multiple model method — which combines these two theories in the different parts of a composite laminate — is the best choice in terms of accuracy and performance for modeling sandwich composite structures.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Matériau élastique linéaire multicouche en surbrillance et deux fenêtres graphiques.

Caractéristique Matériau multicouche

Le noeud Matériau multicouche peut être utilisé pour définir un empilement où chaque couche possède ses propres données matériau, son épaisseur, et son orientation principale. Vous pouvez également définir des propriétés matériaux pour les interfaces entre les couches. Les matériaux multicouches définis de cette manière peuvent être combinés à l'aide du noeud Lien avec les matériaux multicouches ou Empilement de matériaux multicouches pour créer des matériaux multicouches plus complexes, ceci est particulièrement pratique pour les empilements répétitifs, symétriques, ou antisymétriques. Ces noeuds incluent des boutons permettant de visualiser des aperçus 2D ou 3D de composites laminés.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Coupe du matériau multicouche en surbrillance et des cylindres composites dans la fenêtre graphique.

Graphique en coupe du matériau multicouche

Le graphique Coupe du matériau multicouche offre plus de liberté en termes de création de coupe dans un stratifié composite. Il est utile pour créer une coupe uniquement à travers une ou plusieurs couches sélectionnées ou bien pour créer une coupe à travers certaines des couches, mais sans nécessairement les placer dans la direction de l'épaisseur. Il est également utilisé pour examiner dans le détail une couche spécifique et créer une coupe à un endroit particulier de la couche qui soit différent du plan médian.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Matériau élastique linéaire multicouche en surbrillance et un modèle d'éolienne dans la fenêtre graphique.

Approche par couche équivalente/Interface Coque

L'interface Coque est complétée par une loi de comportement matériau, basée sur la théorie des couches équivalentes, qui calcule les propriétés matérielles homogénéisées de l'ensemble du stratifié et ne résout que le plan médian. Divers effets non-élastiques tels que la plasticité et la viscoplasticité peuvent être ajoutés aux différentes couches du stratifié. Les résultats incluent des distributions complètes de contraintes et de déformations en 3D, ce qui vous permet par exemple d'étudier les variations des contraintes à l'intérieur de chaque couche.

Une vue rapprochée de la section Sélection de couche dans la fenêtre de réglages et deux fenêtres graphiques.

Connexion de matériaux multicouches

Lors de l'assemblage de deux stratifiés différents dans une configuration côte à côte ou de la modélisation d'une situation de lâcher de plis, il est possible d'utiliser le noeud Empilement de matériaux multicouches avec le noeud Continuité dans l'interface Coque multicouche. La zone de connexion des deux stratifiés peut être contrôlée par différentes options. Les couches connectées des deux stratifiés peuvent être visualisées à l'aide du graphique Aperçu de la section de la couche disponible dans le noeud Continuité.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Matériau multicouche en surbrillance et un composite stratifié dans la fenêtre graphique.

Jeu de données sur les matériaux multicouches

Le jeu de données Matériau multicouche est utilisé pour afficher les résultats de la simulation sur une géométrie qui a une épaisseur finie. Avec ce jeu de données, vous pouvez augmenter ou diminuer l'épaisseur du stratifié dans la direction normale, ce qui est utile pour visualiser les stratifiés fins. Il vous permet également de mettre à l'échelle la géométrie dans le sens de l'épaisseur pour une meilleure visualisation des stratifiés fins.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Dans l'épaisseur en surbrillance et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.

Graphique dans l'épaisseur

Le graphique Dans l'épaisseur vous permet de visualiser la variation de n'importe quelle quantité à un endroit précis de la frontière en fonction de l'épaisseur du stratifié. Vous pouvez sélectionner un ou plusieurs points géométriques sur la frontière ou optionnellement créer des jeux de données de points. Il est également possible de spécifier directement les coordonnées des points. Contrairement aux autres graphiques, la quantité résultat est représentée sur l'axe x, tandis que la coordonnée de l'épaisseur est représentée sur l'axe y.

Couplages multiphysiques pour des analyses avancées

Il existe deux types d'interaction fondamentalement différents entre la mécanique dans le stratifié et les autres processus. Pour les processus physiques qui se produisent à l'intérieur du stratifié, vous pouvez résoudre tous les phénomènes physiques simultanément, y compris leurs couplages. Dans d'autres processus physiques, le stratifié agit comme une frontière d'un domaine 3D où se produit un phénomène important. Les couplages multiphysiques suivants sont disponibles avec les couplages intégrés:

  • Transfert de chaleur1
  • Courants électriques2
  • Piézoélectricité2
  • Poroélasticité3
  • Interaction acoustique-composite4
  • Interaction fluide-composite5
  1. Nécessite le module Heat Transfer
  2. Nécessite le module AC/DC ou le module MEMS
  3. Nécessite le module Porous media
  4. Nécessite le Module Acoustics
  5. Pour un écoulement turbulent, nécessite le module CFD
Une vue rapprochée d'un composite à six couches montrant la contrainte.

Transfert de chaleur et courants électriques

Modélisez le chauffage par effet Joule et la dilatation thermique dans un composite stratifié avec une technologie de matériaux multicouches.

Une vue rapprochée d'un modèle de coque multicouche montrant la couche piézoélectrique et la couche métallique.

Piézoélectricité

Intégrez un matériau piézoélectrique dans un composite stratifié pour modéliser des dispositifs et des capteurs piézoélectriques minces.

Un modèle de pilote de compression montrant la pression.

Interaction acoustique–composite

Modélisez la vibroacoustique en couplant le composite stratifié avec un domaine acoustique environnant.

Une vue rapprochée d'un modèle rectangulaire montrant la magnitude de la vitesse.

Interaction fluide-composite

Utilisez l'interface Coque pour modéliser des composites stratifiés en interaction avec des domaines fluides.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

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