Composieten in ANSYS

Transcriptie

1 Composieten in ANSYS Een handleiding voor het gebruik van ANSYS Classic en Ansys Workbench bij het modelleren van composietmaterialen. Bart Bastings Kenniscentrum Mechatronica Fontys Hogescholen Engineering Met dank aan: René van den Hooff, Infinite Simulation Systems B.V. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 1

2 1 Inleiding Het modelleren van (vezelversterkte) composieten in een eindige elementen programma (FEM) is niet zo eenvoudig als het modelleren van 'standaard' materialen zoals staal en aluminium. Dat komt doordat composieten zich niet isotroop gedragen maar orthotroop. Dit betekend dat de materiaaleigenschappen niet in alle richtingen hetzelfde zijn. Deze handleiding zet uiteen hoe ANSYS Classic en ANSYS Workbench gebruikt kunnen worden bij het modelleren van vezelversterkte composieten. In deze handleiding wordt ANSYS versie 11.0 gebruikt en wordt er vanuit gegaan dat er al enige basiskennis van FEM, ANSYS Classic en Workbench aanwezig is. Inhoud 1 Inleiding Opbouw composieten Stappenplan Geometrie Aanpassen geometrie Meshen van de Geometrie Exporteren van de mesh Inlezen Mesh Aanpassen elementtypes Elementen-coördinatensysteem richting geven Materiaaleigenschappen ingeven Laminaat ingeven Opbouw composieten Om te begrijpen waarom het lastiger is om vezelversterkte composieten te modelleren dan traditionele materialen, moet eerst worden uitgelegd hoe vezelversterkte composieten zijn opgebouwd en waarom ze geen isotrope eigenschappen vertonen. In figuur 1 is een composiet weergegeven. Het composiet is opgebouwd uit verschillende lamellen, en elke lamel is opgebouwd uit vezels en een hars. Vanwege de vezels in een lamel, gedraagt elke lamel zich niet isotroop maar heeft een richtingsafhankelijke stijfheid. In de richting van de vezel is de lamel vele malen stijver dan in de andere richtingen. In de figuur is de lamel waarvan de vezels in de 0 richting liggen, het stijfst in de x-richting, en veel minder stijf in de y- en z-richting. Een stapeling van lamellen wordt een laminaat genoemd, en daar geldt ook weer dat de eigenschappen (meestal) niet isotroop zijn, maar orthotroop. Het laminaat heeft dus in elke richting een andere stijfheid. De orthotropie van een composiet zorgt ervoor dat de volgende materiaalparameters nodig zijn om de eigenschappen vast te leggen in alle richtingen: E x, E y, E z xy, yz, xz G xy,g yz,g xz Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 2

3 Illustration 1: Opbouw van een laminaat. Dit zijn negen materiaalparameters, maar hiervan kunnen er meestal vijf worden genegeerd. Omdat een composiet onderdeel vaak een dunne schaal-structuur heeft, kan ervan worden uitgegaan dat er een vlakspanningstoestand heerst zodat de spanningen in de z-richting kunnen worden genegeerd. Hierdoor blijven alleen de elasticiteitsmodulus in de x- en y-richting over, de dwarscontractie in de xy richting en de glijdingsmodulus in de xy richting. Vanwege de richtingsafhankelijkheid van de materiaaleigenschappen in een composiet, moet tijdens het modelleren duidelijk worden aangegeven aan ANSYS, hoe het materiaal is opgebouwd en in welke richtingen de stijfheden liggen. 3 Stappenplan Het modelleren van composieten in ANSYS wordt in de volgende stappen verdeeld: 1. Inladen van een geometrie (Workbench) 2. Aanpassen van de geometrie (Workbench) 3. Meshen van de geometrie (Workbench) 4. Exporteren van de mesh (Workbench) 5. Inlezen mesh (Classic) 6. Aanpassen elementtypes (Classic) 7. Elementen-coördinatensysteem richting geven (Classic) 8. Materiaaleigenschappen ingeven (Classic) 9. Laminaat ingeven (Classic) 4 Geometrie In deze handleiding wordt ervan uitgegaan dat er van het te modelleren onderdeel al een geometrie bestaat. Deze geometrie kan in een CAD programma gemaakt zijn of bijvoorbeeld in ANSYS Workbench. Hier wordt een simpele geometrie gebruikt, waarmee de belangrijkste eigenschappen en moeilijkheden van composieten aangetoond kunnen worden. Workbench: Start een nieuw project en ga naar de Design modeler Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 3

4 In de Design modeler kan een externe geometrie ingelezen worden Klik op file Import external geometry file Selecteer tutorial_prothese.stp Er verschijnt een Import in de Workbench tree Klik op Generate om de geometrie te genereren. De geometrie wordt aangemaakt en wordt zichtbaar in Workbench, zie figuur 2. Illustration 2: Een sportprothese in Workbench 5 Aanpassen geometrie De zojuist ingeladen geometrie is een zogenaamde solid, wat betekend dat het een drie dimensionaal volume is. Bij het werken met composieten is het niet handig om met solids te werken, en wordt de voorkeur aan een shell gegeven. Een shell is een dunne structuur (schaal), zonder dikte. Daarom moet van de solid een shell gemaakt worden. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 4

5 Workbench: Klik op Thin/Surface en zorg dat in de details view bij Selection type de optie Faces to keep geselecteerd is. Selecteer dan (met Ctrl en de linkermuis) alle 9 vlakken aan de voorkant van de prothese (zie figuur 3) en klik op apply. TIP: Bij het selecteren van de oppervlakken, kan na he tselecteren van het eerste oppervlak de optie Extend Selection Extend to Limits gebruikt worden om automatisch alle vlakken te selecteren die i nelkaars verlengde liggen. Vul nu bij thickness 0 in, zodat de nieuwe geometrie geen dikte heeft. Klik op generate zodat alleen de Thin surface over blijft. Illustration 3: Selectie van de voorkant van de prothese 6 Meshen van de Geometrie Nu de geometrie is aangemaakt kan deze worden verdeeld in elementen. Dit heet meshen. Workbench: Sla de geometrie in de Design Modeler op. Sluit de Design Modeler af en keer terug naar het projectscherm. Selecteer de geometrie en klik op New simulation. De simulatie-omgeving wordt geopend. Er wordt een standaard mesh (elementverdeling) aan de geometrie gekoppeld. Met deze standaard waardes wordt een verdeling aangemaakt met driehoekige en vierhoekige elementen. Driehoekige elementen kunnen lastig zijn bij het gebruik van gelaagde composieten, dus moet ervoor worden gezorgd dat er alleen vierhoekige elementen aangemaakt worden. Workbench: Selecteer de standaard mesh in de Workbench tree en klik in het menu op Mesh Control Method. Er verschijnt nu een Automatic method in de tree. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 5

6 Selcteer de Automatic Method, selecteer de geometrie en klik op Apply. Verander nu de Method in Uniform Quad. Zet de Defeaturing Tolerance op 1 mm, en de Element size op 10 mm. Genereer de mesh door met de rechtermuis op Mesh Generate Mesh te klikken. De mesh is nu klaar voor gebruik. Doordat de geometrie gebogen is en ronde vormen bezit, liggen niet alle elementen op een lijn en hebben ze af en toe een wat vreemde vorm. Omdat in Workbench het kiezen van elementtypes, het opgeven van laminaten en het definiëren van element coördinaatstelsels via commando s moet gaan (APDL), is het handiger om de mesh te exporteren naar ANSYS traditional. 7 Exporteren van de mesh De simulatieomgeving moet nu worden verlaten, maar zonder deze af te sluiten. Workbench: Sla de mesh op: File save Klik vanuit de simulatie omgeving op project om naar het projectscherm te gaan. Sluit de simulatieomgeving niet! In het projectscherm kan op New FE model geklikt worden. Het FE Model scherm geeft een samenvatting van de mesh. In de tree van Workbench is te zien dat er een standaard materiaal is toegekend aan het model, Dit kan straks in ANSYS Classic weer gewijzigd worden. In de tree is ook het item Generate Data beschikbaar, hier kan de data-file worden bekeken die straks als input voor ANSYS Classic gaat dienen. Deze data file dient nu geëxporteerd te worden naar een ANSYS input file (*.inp). Bekijk voor de zekerheid of het aantal element types slechts 1 is. Deze elenten moeten van het type 4-node quadrilateral shell zijn. Workbench: Selecteer Generate Data in de tree Klik nu in de balk bovenin het scherm op Export Data to file Sla de input file op Workbench kan nu worden afgesloten. 8 Inlezen Mesh Start ANSYS Classic op, de input file kan hier ingelezen worden en verder worden bewerkt. ANSYS Classic: File Change Directory en selecteer de folder waar de input file is opgeslagen. Geef ook een nieuwe Jobname en title aan, via File change jobname en File change title De input file kan ingelezen worden met File Read input from en dan de zojuist gemaakte input file (.inp) te selecteren. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 6

7 Op Plot Elements klikken om de elementen zichtbaar te maken. Door op Isometric view te klikken (het blauwe kubusje), wordt de elementverdeling in isometrische stand weergegeven, zie figuur 4. De elementverdeling is nu in ANSYS Classic beschikbaar om bewerkt te worden. Het meshen van een geometrie hoeft niet perse in Workbench gedaan te worden, dat kan ANSYS Classic ook. Maar in ANSYS Classic is het modelleren van een geometrie wat moeilijker en ook het inlezen van een externe geometrie-file is niet zo gemakkelijk als in Workbench. Illustration 4: Elementverdeling in ANSYS Classic 9 Aanpassen elementtypes Omdat de elementverdeling is gemaakt in Workbench, zijn er specifieke Workbench elementen gebruikt. Deze elementen zijn in combinatie met composieten niet bruikbaar, zodat er andere elementen moeten worden toegekend aan het model. Het elementtype dat goed geschikt is om composieten te modelleren is het SHELL181 element. Dit element heeft de mogelijkheid om materiaalgegevens per laag van het laminaat in te geven. ANSYS Classic: Klik op List Elements Nodes+attributes om een overzicht van alle elementen te krijgen. In de lijst staan alle elementen, types, materialen, sections en nodes genoemd. In de kolom Type staan de elementtypes. Alle elementen zijn van het type 1. Sluit dit venster na het bekijken. Via Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete kunnen de gebruikte elementen zichtbaar gemaakt worden en nieuwe elementen aangemaakt worden. Het gebruikte element is van het type MESH200. Klik op Add Shell 4node 181 Ok om een nieuw elementtype toe te voegen. Dit nieuwe element krijgt standaard het nummer 2 toegewezen. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 7

8 Sluit het dialoogvenster. Type in de ANSYS Command Prompt: emod, all, type, 2, zonder de aanhalingstekens. Dit commando zorgt ervoor dat alle elementen in het model worden vervangen door elementen van type 2 (het zojuist aangemaakte SHELL181 element). 1 Bekijk nu nogmaals de lijst met elementen om te zien dat alle elementen zijn veranderd in type 2. (List Elements Nodes+attributes) 10 Elementen-coördinatensysteem richting geven De elementen in het model hebben allemaal een lokaal coördinatenstelsel. Via dit lokale stelsel worden de materiaaleigenschappen gericht. Om deze eigenschappen goed te kunnen ingeven moet ervoor gezorgd worden dat alle elementen een coördinatenstelsel hebben dat in de juiste (vezel) richting ligt. ANSYS Classic: Klik op PlotCtrls Symbols en vink ESYS element coordinate system aan. Er verschijnt nu per element een assenstelsel. Met de Dynamic model mode kan het model met de muis (rechtermuisknop) van richting veranderd worden. Ook kan er ingezoomd worden met het scrollwiel. In figuur 5 is te zien hoe de lokale assenstelsels zijn geplaatst. De groene lijntjes stellen de lokale y-as voor, en de witte lijntjes de lokale x-as. Bij het ingeven van het laminaat wordt de lokale 0º (vezel)richting gelijkgesteld aan de lokale x-as. Dit betekend dat de huidige verdeling er voor zorgt dat de vezels vrij willekeurig in het materiaal komen te liggen, en niet volgens de bedoelde lay-up. Illustration 5: Lokaal coördinaatstelsel per element getekend. 1 Dit kan ook via het menu: Preprocessor -> Modeling -> Move/Modify -> Elements -> Modify Attrib -> [Pick All] -> stloc = element type TYPE -> new Atrrib number = 2 Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 8

9 Het zou fijn zijn als deze assenstelsels zo waren gericht dat de lokale y-as in de lengte-richting van de prothese, de lokale x-as in de breedte richting, en de lokale z-as loodrecht op de prothese zouden staan. Dit kan bereikt worden door het aanmaken van een nieuw coördinatenstelsel en alle lokale elementenstelsels daaraan gelijk te stellen. ANSYS Classic: Zoom het model zo in dat de bovenkant van de prothese (met de bevestigingsgaten) groot in beeld is (zoals in figuur 5). Klik op WorkPlane Local Coordinate systems Create local CS By 3 nodes Selecteer nu drie hoekpunten van het element rechts bovenin, zoals aangegeven in figuur 6. De eerste node wordt het centrum van het assenstelsel, de tweede node de x-as en de derde node geeft het x-y vlak aan. De z-as komt loodrecht op dat vlak te staan. Geef het lokale systeem de standaard naam (11). Illustration 6: Aanmaken van een lokaal coördinatensysteem. In dit voorbeeld is de x-as in de breedte van de prothese gekozen. Dit omdat de bovenkant van de prothese de enige rechte lijn in het model is, die gebruikt kan worden als referentie. Dit betekend dat de y-as wordt gebruikt in de lengte-richting van de prothese, daarom moet bij het aanmaken van het laminaat rekening worden gehouden met het feit dat ANSYS het laminaat naar de lokale x-as richt (in dit geval dus een rotatie van 90º). Het is nu zaak om alle elementen volgens het zojuist aangemaakte coördinaatstelsel te richten. ANSYS Classic: Type in de Command prompt: emod, all, esys, 11, zonder de aanhalingstekens. 2 Dit commando zorgt er voor dat alle elementcoördinaatstelsels gericht worden via een projectie van coördinatensysteem 11 op de geometrie, zie figuur 7. 2 Dit kan ook via het menu: Preprocessor -> Modeling -> Move/Modify -> Elements -> Modify Attrib -> [Pick All] -> stloc = elem coord ESYS -> new Atrrib number = 11 Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 9

10 Illustration 7: De elementcoördinaatstelsels, nu gericht volgens het aangemaakte systeem Materiaaleigenschappen ingeven Nu de juiste elementen zijn aangemaakt, kunnen de materiaaleigenschappen ingegeven worden. Voor composieten is dit wat lastiger dan voor metalen, omdat de eigenschappen niet isotroop zijn. Hierdoor zijn er 9 verschillende eigenschappen die ANSYS wil weten. Klik op Preprocessor Material Props Material Models om een nieuw materiaalmodel in te geven. Verwijder het bestaande materiaalmodel (Material Model number 1 edit delete) Selecteer een Structural Linear Elastic Orthotropic materiaalmodel. Vul hier de gegevens van het composiet in. Zorg er voor dat de gegevens van een enkele laag worden ingegeven. Dus niet van het complete laminaat. Het is vaak moeilijk om alle gevraagde gegevens te verkrijgen, gelukkig is het meestal mogelijk om de eigenschappen in de z-richting te schatten, omdat deze weinig effect hebben. Dit komt door de al eerder genoemde aanname van een vlakspanningstoestand. Een voorbeeld van materiaaleigenschappen is te vinden in figuur 8. De materiaaleigenschappen zijn nu bekend. Nu moeten deze eigenschappen nog aan de juiste lamellen in het laminaat worden gekoppeld. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 10

11 Illustration 8: Materiaaleigenschappen voor een unidirectionele lamel. 12 Laminaat ingeven Er zijn meerdere manieren om een laminaat in te geven in ANSYS. Een makkelijke methode die ook vrij overzichtelijk is, is het gebruik maken van de Lay-up module van ANSYS. Hierin kunnen de aparte lamellen worden ingegeven, en kan zo een compleet laminaat worden opgebouwd. ANSYS Classic: Ga naar: Preprocessor Sections Shell Lay-up Add/Edit In dit scherm kan het laminaat worden opgebouwd. Ook kan een naam worden ingegeven en een ID nummer worden aangegeven. Per laag kan de dikte van een lamel worden opgegeven, net zoals het materiaalmodel en de (vezel)richting. Het is belangrijk te beseffen dat deze (vezel)richting de richting ten opzichte van de lokale (element) x-as is. Hierbij wordt aangenomen dat de richting van de x-as de 0º richting is, en de vezels in het x-y vlak liggen. De lokale z-as staat hier loodrecht op. Een voorbeeld opbouw van een laminaat is te zien in figuur 9. Hier kan via Tools Add Symmetry het gemaakte laminaat gespiegeld worden om zo een symmetrische opbouw te krijgen. In de Section Offset is gekozen voor Top-Plane wat betekend dat de lagen worden opgebouwd ten opzichte van een bovenvlak. Dit wordt zo gedaan omdat de vlakke geometrie van de prothese is gemaakt van het bovenvlak van de solid van de prothese. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 11

12 Illustration 9: Laminaatopbouw Illustration 10: Weergave van de laminaatopbouw. Zorg er voor dat per laag het juiste materiaal ingegeven wordt. Als laatste stap moet deze laminaatopbouw aan alle elementen toegekend worden. In de ANSYS Command Prompt type: emod, all, sec, 1, zonder aanhalingstekens. 3 De laminaatopbouw kan nu bekeken worden via: Plot Layered Elements dan een element aanklikken en twee keer op Ok klikken (zie figuur 10). 3 Dit kan ook via het menu: Preprocessor -> Modeling -> Move/Modify -> Elements -> Modify Attrib -> [Pick All] -> stloc = Section Num SEC -> new Atrrib number = 1 Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 12

13 Het model in ANSYS Classic is nu klaar voor gebruik. Er kunnen in ANSYS Classic loads en constraints aangegeven worden en er kan gesimuleerd worden wat de spanningen en rekken in het model zijn. Het aanbrengen van de loads en constraints kan ook in Workbench gedaan worden. Dit zou na paragraaf 6 gedaan kunnen worden. De aangebrachte loads en constraints worden meegenomen in de input file. Wanneer deze methode gebruikt wordt, kunnen inklemmingen en belastingen ingevoerd worden op named selections wat het aangeven van individuele nodes in ANSYS Classic overbodig maakt. Composieten in ANSYS ( ) Bart Bastings 13