Finite Element Modeling of Composite Materials using Kinematic Constraints
- Autores: Merlin Barschke, David Alejandro Uribe Pardo, Jens L. Jensen, Carlos Eduardo López Zapata
- Localización: Ingeniería y ciencia, ISSN-e 1794-9165, Vol. 5, Nº. 10, 2009, págs. 133-153
- Idioma: inglés
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Resumen
- español
El propósito de este artículo es presentar simulaciones del comportamiento de materiales compuestos basado en restricciones cinemáticas entre las mismas fibras y entre las fibras y la resina circundante.
En la revisión de literatura, los autores han encontrado que las restricciones cinemáticas no han sido plenamente explotadas para modelar materiales compuestos, probablemente debido a su alto costo computacional. El propósito de este articulo es exponer la implementación y resultados de tal modelo, usando Análisis por Elementos Finitos de restricciones geométricas prescritas a los nodos de la resina y las fibras.
Las descripciones analíticas del comportamiento de materiales compuestos raramente aparecen. Muchas aproximaciones para describir materiales compuestos en capas son basadas en la teoría de funciones C1 Z y C0 Z, tal como la Teoría Clásica de Capas (CLT). Estas teorías de funciones contienen significativas simplificaciones del material, especialmente para compuestos tejidos.
Una aproximación hibrida para modelar materiales compuestos con Elementos Finitos (FEA) fue desarrollada por Sidhu y Averill [1] y adaptada por Li y Sherwood [2] para materiales compuestos tejidos con polipropileno de vidrio.
Este artículo presenta un método para obtener valores para las propiedades de los materiales compuestos. Tales valores son usados para simular las fibras reforzadas tejidas aplicando elementos de capas en el software ANSYS. El presente modelo requiere menos simplificaciones que las teorías C1 Z y C0 Z.
En el artículo presente, a diferencia del modelo Li Sherwood, el tejido es modelado geométricamente. Una Representación por la Frontera (B-Rep del modelo Hand) con genus 1 (con geometría compleja) fue usada para aplicar restricciones geométricas a las capas de resina, fibra, etcétera, mostrando que es apropiada para simular estructuras complejas.
En el futuro, las propiedades no lineales de los materiales deben ser consideradas, y el trabajo experimental requerido debe ser realizado.
- English
The purpose of this article is to present simulations of the behavior of composite materials based on kinematic restrictions among the fibers themselves and among fibers and the surrounding resine. In the literature review the authors have found that the kinematic restrictions have not been fully exploited for modeling composite materials, probably due to their high computational expense. The purpose of this article is to show the implementation and results of such a model, by using a Finite Element Analysis of geometric restrictions prescribed to the resine and fiber nodes. Closed analytic descriptions on behavior of layered composite materials are very rare. Many approaches to describe layered composite material are based on the theory of functions C1 Z and C0 Z, such as the Classic Layer Theory (CLT).
These theories of functions contain strong simplifications of the material, in particular for woven composites. A hybrid approximation to model composite materials with Finite Elements (FEA) was developed by Sidhu and Averill [1] and adapted by Li and Sherwood [2] for composite materials woven with glass polypropylene. The present article presents a method to obtain values for the properties of the composed materials. Such values are used to simulate the reinforced woven fibers by applying layered elements in the ANSYS software. Our model requires less simplifications as compared with the theories C1 Z and C0 Z. In the present article, differing from the model Li and Sherwood, the weaving model is geometrically simulated. A Boundary Representation (B-Rep Hand model) with genus 1 (with complex geometry) was used to apply geometric restrictions to the layers resine, fiber, etc., showing to be appropriate to simulate complex structures. In the future, non linear properties of materials are to be considered, as well as to perform the required experimental work.
- português
A finalidade deste artigo é apresentar simulações do comportamento dos materiais compostos baseados nos confinamentos cinemáticos entre as fibras mesmas e entre fibras e a resina circunvizinha.
Na revisão da literatura os autores encontraram que os confinamentos cinemáticos não estiveram explorados inteiramente modelando materiais compostos, provavelmente devido a seu custo computacional elevado. A finalidade deste artigo é mostrar a realização e os resultados de tal modelo, usando uma Análise de Elementos Finitos das limitações geométricas prescritas aos nós da resina e da fibra.
As descrições analíticas do comportamento de materiais compostos por níveis são muito raras. Muitas aproximações para descrever os materiais compostos por níveis são baseadas na teoria das funções C1 Z e C0 Z, tal como a teoria clássica da camada (CLT). Estas teorias das funções contêm fortes simplificações do material, especialmente para materiais compostos por tecidos. Uma aproximação hibrida para modelar materiais compostos com elementos finitos (FEA) foi desenvolvida por Sidhu e por Averill [1] e adaptada por Li e por Sherwood [2] para os materiais compostos tecidos com polipropileno de vidro.
O artigo atual apresenta um método para obter valores para as propriedades dos materiais compostos. Tais valores são usados para simular as fibras tecidas reforçadas aplicando elementos por níveis no software de ANSYS. Nosso modelo requer menos simplificações em comparação às teorias C1 Z e C0 Z.
No artigo atual, diferindo dos modelos do Li e do Sherwood, o modelo de tecido é simulado geomètricamente. Uma Boundary Representation (modelo B-Rep Hand) com genus 1 (com geometria complexa) foi usada pra aplicar limitações geométricas à resina dos níveis, à fibra, etc., mostrando ser apropriada para simular estruturas complexas.
No futuro, as propriedades não lineares dos materiais devem ser consideradas, e o trabalho experimental requerido deve ser feito.
- español
