Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Materiali compositi

Le sfide dell’analisi FEM dei compositi laminati

Francesco Palloni

Laminate Tools fornisce un mezzo intuitivo per definire la sequenza di laminazione utilizzando la logica “per pelli”, in maniera da riflettere accuratamente la composizione per pelli fisiche della struttura, consentendo la simulazione del drappeggio.

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Simulazione del drappeggio del laminato su un alettone aerodinamico e sviluppo in piano delle pelli.

Condivisione dei dati tra progettazione, analisi e produzione

Lo sviluppo di componenti in compositi richiede una stretta interazione tra progettisti, analisti e responsabili di produzione, a partire dalle fasi concettuali fino a quelle esecutive. È auspicabile un flusso di lavoro e una piattaforma di comunicazione omogenea tra i soggetti che prendono parte allo sviluppo del prodotto, in maniera che il laminato venga definito in un modo comprensibile a ciascuno di essi (proprietà delle pelli, orientamento delle fibre, stratifica delle pelli). Questo permetterebbe di minimizzare gli errori e coinvolgere sia l’analista sia il progettista sia il tecnologo nella creazione del modello del laminato.

Il drappeggio delle pelli

Quando le pelli vengono deposte su superfici di geometria complessa, possono intervenire distorsioni del materiale e deviazioni dell’angolo delle fibre rispetto al valore teorico ipotizzato dall’analista. Una distorsione eccessiva delle pelli comporta difficoltà di laminazione, e disallineamento delle fibre rispetto a quanto desiderato. In altre parole, spesso quello che viene realizzato sullo stampo potrebbe risultare sensibilmente differente da quanto è stato ipotizzato nel modello FEM strutturale. Per migliorare l’accuratezza del modello sarebbe utile considerare il drappeggio delle pelli sulla mesh FEM, al fine di valutare con maggiore precisione le caratteristiche meccaniche del laminato.

Analisi strutturale di una ruota in materiale composito

Gestione della laminazione nel modello FEM

I modelli ad elementi finiti delle strutture in compositi tendono ad essere molto più complessi di quelli delle strutture realizzate con materiali metallici. Usando gli strumenti convenzionali per la modellazione FEM del composito, l’analista deve preoccuparsi di gestire la laminazione “per zone”, assicurandosi di creare, aggiornare e modificare le varie aree di sovrapposizione delle pelli, definendo delle sequenze di laminazione locali. Questo approccio, oltre a generare una inefficienza quando si deve aggiornare il modello, può essere causa di errore nella definizione della laminazione. Sarebbe più comodo ragionare “per pelli”, come realmente avviene in fase di produzione.

Simulazione del drappeggio sulla carena di una granturismo

Interpretazione dei risultati

Le modalità di rottura delle strutture in compositi sono complesse in virtù della natura anisotropa dei materiali che costituiscono gli strati e delle interazioni tra gli strati stessi. I software FEM tradizionali comportano sostanzialmente due limitazioni nella gestione dei risultati di una analisi strutturale sul composito. La prima limitazione è legata alla necessità di scegliere in anticipo uno tra i numerosi criteri per il calcolo dei Failure Index (l’indice di danneggiamento): massima tensione, Tsai-Wu, Hill, Hoffman, Hankinson, Cowin, LaRC02, Puck, e via dicendo. Alcuni di questi sono pensati e applicabili a pelli di materiale unidirezionale, per contro altri sono più indicati e accurati sui tessuti. Tipicamente infatti, l’operatore può selezionare un solo criterio di Failure Index sulla singola lamina o, peggio ancora, sull’intero laminato. Questo può risultare limitativo in termini di comprensione dei motivi di una eventuale failure, e inaccurato in alcuni casi. La seconda limitazione è dovuta alla modellazione “per zone” che fa perdere all’analista la visibilità dell’andamento reale delle tensioni sulla struttura, cosa che verrebbe risolta se il modello venisse creato con la logica “delle pelli”.

 

 

Generazione automatica del ply-book

Generazione dei dati di produzione

Utilizzando gli strumenti FEM tradizionali, non è semplice fornire alla produzione le informazioni necessarie alla realizzazione del laminato. Molto spesso la sequenza di laminazione ipotizzata dall’analista deve essere reinterpretata (vedi approccio “per zone” vs. “per pelli”) e ricodificata da parte della produzione, in quanto le informazioni vengono rese disponibili soltanto sotto forma di relazione di calcolo e immagini. Sarebbe efficace poter generare automaticamente i dati necessari per la produzione a partire dai dati FEM, per realizzare il manufatto esattamente come è stato analizzato.

 

Come migliorare il workflow dei compositi laminati

Per venire incontro alle esigenze dell’industria dei compositi, Anaglyph ha sviluppato Laminate Tools, un software pensato proprio per affrontare tutte queste sfide e supportare gli ingegneri nelle varie fasi di progettazione, analisi e produzione di strutture in laminati compositi. 

Laminate Tools è una piattaforma unificata che riunisce gli strumenti tipici della progettazione del laminato (importazione CAD stampo, gestione del singolo ply e del laminato, drappeggio delle pelli), dell’analisi ad elementi finiti (supporto dei solutori Nastran, Ansys, Abaqus, Radioss), della produzione (sviluppo in piano delle pelli, generazione del ply-book, supporto di proiettori laser e PlyMatch). 

Laminate Tools fornisce un mezzo intuitivo per definire la sequenza di laminazione utilizzando la logica “per pelli”, in maniera da riflettere accuratamente la composizione per pelli fisiche della struttura, consentendo la simulazione del drappeggio. In questa maniera l’analista non solo può assegnare al modello FEM la laminazione così come concepita dal progettista, ma ha anche la flessibilità di aggiornare la laminazione introducendo rinforzi locali senza doversi preoccupare di gestire le zone di sovrapposizione, velocizzando di molto le iterazioni di ottimizzazione strutturale del manufatto.

In fase di post-processing, Laminate Tools permette di selezionare uno o più criteri di Failure Index tra quelli disponibili, e offre all’utente la possibilità di creare routine di calcolo per implementare criteri personalizzati. Inoltre permette di generare mappe di inviluppo tra più criteri, in maniera da evidenziare sul modello le zone più critiche. La facoltà di ragionare “per pelli” consente l’interrogazione dei risultati in maniera più facilmente comprensibile rispetto alla logica “per zone”, permettendo una valutazione più razionale e consapevole del comportamento strutturale del manufatto, e fornendo idee per l’ottimizzazione della laminazione. 

Una volta ottimizzato e verificato il modello virtuale del manufatto, attraverso Laminate Tools l’analista è in grado di condividere le informazioni del modello FEM con i progettisti e la produzione, velocizzando l’intero flusso di lavoro e limitando le fonti di errore nel passaggio dei dati.

(A cura di SmartCAE)

www.smartcae.com

 

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