Simulacija anizotropnega trenja polizdelkov iz ogljikovih vlaken z metodo končnih elementov

Reberšak, Gašper (avtor), Emri, Igor (mentor)

Anizotropno trenje ima ključno vlogo pri procesu preoblikovanja polizdelkov iz ogljikovih vlaken. Ta kompleksni pojav otežuje načrtovanje preoblikovalnih orodij in določanje procesnih parametrov. Pri tem si lahko pomagamo s pomočjo numeričnih simulacij na osnovi metode končnih elementov. Da bi natančno napovedali proces preoblikovanja je v simulacijo kontakta med posameznimi plastmi ogljikovih vlaken potrebno vključiti model anizotopnega trenja. V magistrskem delu sta predstavljena dva postopka simuliranja anizotropnega trenja z metodo končnih elementov v programskem okolju Abaqus. Prvi od modelov (M1) je standardno vključen v Abaqus okolje in ponuja eliptično razporeditev tornih sil glede na smer gibanja in usmeritev ploskev. Drugi model (M2) je del uporabniškega podprograma, ki je bil razvit v sodelovanju z razvijalci programa Abaqus in uporablja eksperimentalno določene vrednosti koeficientov trenja, ki jih uporabnik določi v obliki diskretnih vrednosti relativnih usmerjenosti ploskev v kontaktu. Da bi zagotovili pravilno delovanje simulacij je potrebno validirati osnovne modele, ki v simulacijah popisujejo kontakt dveh teles. V ta namen so simulacije v okviru magistrskega dela izvedene na preprostih geometrijah togih teles v obliki ravnih ploskev, ki ne vključujejo materialnih lastnosti. Na ta način zagotovimo opazovanje le kontaktnih modelov brez učinkov mehanskih modelov materiala. Prve simulacije vključujejo le obremenitve v smeri normal ploskev, brez relativnih premikov med ploskvama. Pri teh simulacijah smo opazili napačno razporeditev kontaktnega tlaka, ki se pojavlja pri določenih nastavitvah kontaktnega algoritma. Ker so torne sile neposredno povezane s tlakom na kontaktni površini smo v naslednjem svežnju simulacij ocenjevali vpliv napačne tlačne porazdelitve na ravnovesje sil in momentov v telesih. Opazili smo, da pri določenih nastavitvah prihaja do pojava vrtilnih momentov, ki niso v skladu s teorijo anizotropije trenja ter eksperimentalnimi rezultati. Na podlagi prvih simulacij smo izluščili najbolj primerne nastavitve za simulacijo trenja med dvema ploskvama. Z nadaljnimi simulacijami smo testirali delovanje modela M1 in ocenili zmožnost da popiše anizotropne lastnosti polizdelkov iz ogljikovih vlaken. V ta nemen smo rezultate iz numeričnih simulacij smo primerjali z rezulati eksperimentov trenja med posameznimi plastmi ogljikovih vlaken. Ugotovili smo, da standardni model M1, ki predvideva eliptično porazdelitev tornih sil ne zadošča za modeliranje omenjenih lastnosti zaradi monotonosti eliptične funkcije. Vzporedno smo predstavili zasnovo uporabniškega podprograma (M2) in testirali njegove osnovne funkcije. Ugotovili smo, da v trenutni obliki uporabniški podprogram omogoča natančno simuliranje tornih sil za kombinacije usmeritev materiala in smeri gibanja za katere lahko neposredno določimo koeficiente trenja. Za simuliranje celotnega spektra kombinacij, kjer je potrebna interpolacija med posameznimi vrednostmi koeficientov, pa so potrebna nadaljna testiranja in razvoj algoritma. Rezultat magistrske naloge je uporabniški podprogram, ki predstavlja osnovo za nadaljni razvoj ter omogoča razširitev modela anizotropnega trenja z drugimi parametri v postopku preoblikovanja ogljikovih vlaken kot so na primer temperaturna odvisnost, viskozne in kohezivne lastnosti veziva in hitrost preoblikovanja. Za validiranje takšnega modela so potrebne nove eksperimentalne študije ter razvoj in obsežno testiranje kontaktnega algoritma.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: trenje, anizotropno trenje, kompozitni materiali, ogljikovi kompoziti, ogljikova vlakna, metoda končnih elementov
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Organizacija: FS - Fakulteta za strojništvo
• Leto izida: 2017
• PID: 20.500.12556/RUL-97579
• Datum objave v RUL: 27.10.2017

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Anisotropic friction simulation of dry carbon fibre preforms using final element method

Izvleček

Forming of complex carbon fibre preforms predominantely depends on the effects of anisotropic friction. Simulation of the forming process using finite elements method enables succesfull definition of manufacturing proces parameters. Two simulation approaches of anisotropic friction in Abaqus software are presented in the thesis including testing of basic contact interaction models. An existing anisotropic model does not suffice for carbon fibre preforming simulations. Outline and functioning of a user subroutine for anisotropic friction modellling are presented and developed to include basic functionalities.

• Ključne besede: friction, anisotropic friction, composite materials, carbon composites, carbon fibres, finite element method