Kompozitni laminati, koji se sastoje od vezanih slojeva različitih materijala, nalaze široku primenu u različitim industrijama, uključujući vazduhoplovstvo, automobile i sektore brodogradnje zbog svog izuzetnog odnosa čvrstoće i težine tela i prilagođenih mehaničkih svojstava. Zbog različite jačine i osobina koje proizilaze iz različitih pravaca vlakana, analiza dizajna i optimizacija kompozitnih laminata zahtevaju ponavljajuće numeričke simulacije da bi se istražili različiti materijali slojeva i sekvence slaganja.
Za takve simulacije, istraživači obično koriste poznatu analizu konačnih elemenata (FE) zasnovanu na trodimenzionalnoj (3D) teoriji elastičnosti. Međutim, veliki stepeni slobode (DOF) kompozitnih laminata čine 3D FE analizu teškim resursima, vremenski intenzivnim i nepraktičnim za ponavljajuće simulacije. Stoga je potrebna numerička tehnika koja je tačna kao FE analiza, a da je brža i fleksibilnija.
Baveći se ovim pitanjima, profesor Kiunghoon Lee i Shinseong Kang sa Odseka za vazduhoplovstvo na Nacionalnom univerzitetu Pusan razvili su inovativnu konstrukciju i metod analize kompozitnih laminata nalik na lego kocke.
„Inspirisani tehnikama podstrukturiranja i modeliranja redukovanog reda (ROM), razvili smo dvostepeni, oflajn-online okvir koji koristi ROM zasnovan na komponentama. Poput lego kockica, naša tehnika nam omogućava da lako menjamo materijale slojeva uključujući uglove vlakana, broj slojeva, i njihov redosled slaganja za pravljenje kompozitnog laminata u hodu, omogućavajući brze, ali precizne simulacije“, objašnjava prof. Lee.
Njihova studija objavljena je u Međunarodnom časopisu mehaničkih nauka 21. juna 2024.
U ROM-u zasnovanom na komponentama, složeni sistemi se dele na jednostavnije podsisteme koji se pojedinačno analiziraju pomoću ROM-a. Ova ROM tehnika uključuje razvoj redukovanih modela sa nižim DOF. Da bi postigli ovaj cilj, istraživači su koristili statičku kondenzaciju (SC) u kombinaciji sa metodama redukcije porta (PR) i smanjenog baznog elementa (RBE), što je dovelo do metoda analize PR-SC i PR-SCRBE.
SC metoda omogućava slaganje bilo kog broja slojeva u bilo kojoj sekvenci po potrebi, tretiranjem svakog sloja kompozitnog laminata kao komponente. Zatim, PR metoda smanjuje DOF-ove povezanih granica slojeva, ubrzavajući proces rešavanja. Najzad, RBE metoda omogućava brzu i tačnu procenu intradomenskih rešenja slojeva za promene u materijalima slojeva.
Ova tehnika funkcioniše u dve faze: oflajn faza i onlajn faza. U fazi van mreže, kompajlira se biblioteka kompozitnih slojeva, koji parametarski predstavljaju različite materijale slojeva i uglove vlakana. U onlajn fazi, kompozitni laminat se konstruiše na zahtev postavljanjem materijala sloja, uglova vlakana i redosleda slaganja. Ovaj konstruisani laminat se zatim analizira korišćenjem PR-SC metode ili PR-SCRBE metode ako je potrebna veća efikasnost računara od tačnosti.
Istraživači su demonstrirali tehniku u testu savijanja u tri tačke i testu zatezanja, procenjujući tačnost i efikasnost PR-SC i PR-SCRBE metoda. Za svaki primer, koristili su tri različita kompozitna laminata sa različitim slojevima.
Rezultati su otkrili da je PR-SC analiza imala zanemarljiv gubitak tačnosti u poređenju sa FE analizom uz poboljšanje brzine. S druge strane, PR-SCRBE je pokazao umereni gubitak tačnosti sa mnogo većim poboljšanjem brzine. Istraživači predlažu korišćenje PR-SC za tačnost i PR-SCRBE za efikasnost po potrebi.
„Koristeći predloženu tehniku za virtuelno testiranje kompozita, možemo da identifikujemo optimalne dizajne uz minimiziranje vremena i troškova materijala. Ova tehnika nudi značajne potencijalne prednosti u različitim oblastima. Na primer, bolji kompoziti mogu dovesti do lakših i jačih aviona i automobila sa poboljšanim ekonomičnost goriva i smanjeno zagađenje.
„Pored toga, energetske industrije mogu da iskoriste ovu tehniku za razvoj digitalnih blizanaca sredstava, omogućavajući praćenje u realnom vremenu i značajno smanjenje troškova održavanja“, napominje prof. Li koji se nada, naglašavajući potencijalne primene ove tehnike.
U zaključku, ova inovativna tehnika nudi održivu alternativu glomaznoj tehnici 3D FE analize za ponavljajuću analizu kompozitnih laminata.
