Введение Композиты широко используются там, где необходимы выдающиеся механические свойства в сочетании с экономией веса. Композиционные материалы обладают превосходными свойствами благодаря своей уникальной микроструктуре. Композит – это система материалов, состоящая из двух или более отдельных материалов, объединенных в макроскопическую структурную единицу. В отличие от традиционных материалов (таких как металлы@, керамика@ и полимеры)@, микроструктуры которых относительно фиксированы@, композиты обладают высокой степенью гибкости в плане микроструктуры и механических свойств. В результате композиты представляют собой желаемое сочетание лучших свойств составляющих фаз: они могут быть одновременно прочными и легкими. Например, композиты из углеродного волокна могут быть более чем в 10 раз прочнее и на 80% легче стали. Благодаря таким выдающимся свойствам@ композиты стали лучшим выбором для производства легких транспортных средств [1-1]@ [1-2]@ [1-3]@ [1-4]@ [1-5]@ [1-6] @ [1-7] @ [1-8]. Преимущества композитов выходят далеко за рамки экономии веса. Композиты с полимерной матрицей имеют большой потенциал для интеграции деталей, что приведет к снижению производственных затрат и сокращению времени выхода на рынок. Композитные детали могут иметь гораздо меньшие затраты на оснастку, чем металлические. Композиты также обладают гораздо лучшей коррозионной стойкостью, чем металлы, и более устойчивы к повреждениям, таким как вмятины и вмятины, чем алюминий. Полимерные композиты обладают превосходными вязкоупругими демпфирующими свойствами и, таким образом, обеспечивают транспортным средствам улучшенные характеристики шума, вибрации и жесткости (NVH). Композиты также обладают более высоким уровнем гибкости оформления с точки зрения глубокой вытяжки панелей, чем то, что может быть достигнуто с помощью штамповки из металла. Наконец, композиционные материалы могут обладать многофункциональными (механическими @ тепловыми @ электрическими @ и магнитными) свойствами за счет интеграции различных функциональных компонентов в полимерные матрицы. Так называемые многофункциональные или «умные» композиты обеспечивают транспортным средствам значительные преимущества по сравнению с традиционными материалами, которые обладают только монотонными свойствами. Хотя преимущества композитов общепризнаны, их использование в автомобильной промышленности столкнулось с некоторыми техническими проблемами. Одной из основных технических проблем является отсутствие знаний в области проектирования композитов. Традиционно@ автомобильный сектор проектировал конструкционные компоненты с использованием изотропных материалов@, таких как стали@ алюминий@ и пластмассы. Основными свойствами материала, необходимыми для проектирования однородной конструкции, являются модуль Юнга (E)@, коэффициент Пуассона (n)@ и прочность на разрушение (sf). Эти свойства обычных материалов@, таких как сталь и алюминий@, легко доступны в справочниках по материалам и онлайн-ресурсах@, что делает общий процесс проектирования структурного компонента, состоящего из изотропного материала, относительно простым. По сравнению с этим проектирование конструкций из анизотропных композиционных материалов является более сложным и сложным. Композиционный материал анизотропен по своей природе; то есть @ свойства в точке изменяются в зависимости от направления опорных осей и связаны с масштабом. Основные свойства материала, необходимые для проектирования композитной конструкции, представляют собой средние свойства отдельной пластины. В отличие от обычных изотропных материалов, свойства (E@ n) которых доступны в различных источниках данных@, свойства пластинки композитной системы не могут быть легко найдены. Основная причина заключается в том, что эти свойства зависят от объемной доли волокна. Даже для одной и той же композитной системы, такой как углеродное волокно-цепоксидный композит, основные свойства пластинок существенно различаются в зависимости от количества волокон, используемых в системе. Поэтому @ было бы очень сложно создать всеобъемлющую базу данных о свойствах композитных материалов. Другой серьезной технической проблемой при использовании композитных материалов является отсутствие эффективных инструментов проектирования (т.е. инструментов автоматизированного проектирования [CAE]). Хотя в автомобильном секторе регулярно используются методы CAE для различных структурных анализов (статический@ динамический@ долговечность@ шум и вибрация@ и т.д.)@, в этой практике в основном используются изотропные материалы. Для изотропных материалов@ существует множество вариантов программного обеспечения CAE@, и точность и достоверность вычислительных моделей со временем значительно возросли. Однако@ для анизотропных@ волокнистых композиционных материалов@ существует мало программного обеспечения CAE, способного моделировать композиты. Также не хватает строгих моделей для моделирования сложного процесса разрушения композитных конструкций. В этой книге основное внимание уделяется новейшим методам CAE при проектировании и анализе отказов композитных материалов и конструкций. Он начинается с краткого введения в проектирование и анализ отказов композитных материалов, а затем представляет некоторые недавние инновационные примеры проектирования композитных конструкций CAE, выполненные инженерами крупнейших разработчиков CAE, производителей и поставщиков оригинального автомобильного оборудования (OEM).
SAE PT-166-2014 История
2014SAE PT-166-2014 CAE-проектирование и анализ отказов автомобильных композитов