Эффективная конечно-элементная модель для расчета индентирования сэндвич-панели

Abstract

Разработана вычислительно-эффективная малопараметрическая конечно-элементная модель композитного материала для прогнозирования прочности и поглощенной энергии при низкоскоростном ударе. Объект исследования – трехслойная сэндвич-панель, представляющая собой два слоя хаотически армированного стеклопластика, между которыми расположен ячеистый заполнитель марки Divinycell ™P100. Механические характеристики стеклопластиковой обшивки для расчетной модели были определены из экспериментов на растяжение, изгиб и срез. В расчетах ячеистый заполнитель был представлен в виде сплошной нелинейной гиперупругой модели материала OgdenFoam (первого порядка), что позволило существенно сократить вычислительные затраты. Константы данной модели были определены из соответствующих кривых при одноосном и двухосном растяжении/сжатии, чистом сдвиге, а также трехосном растяжении/сжатии для оценки изменения объема. Поскольку проведение подобных экспериментов затруднительно, необходимые диаграммы деформирования были получены из расчета элементарной ячейки Кельвина (тетракаидодекаэдр), подходящей для описания регулярной структуры заполнителя. Ячейка Кельвина является повторяемой формой, заполняющей пространство без пустот при минимальном отношении площади поверхности к объему. Результаты расчетов локального деформирования трехслойной сэндвич-панели с использованием модели гиперупругого материала OgdenFoam вполне удовлетворительно отразили наблюдаемую в экспериментах нелинейность диаграмм (зону перелома) и показывают полную энергетическую эквивалентность вплоть до разрушения обшивки путем среза. Таким образом, разработанная конечно-элементная модель может быть использована для прогнозирования прочности и оценки предельной энергии низкоскоростного удара. Computationally effective finite element model of composite material was developed to predict the strength and energy absorption at lowvelocity impact. Object of research – a sandwich panel, consisting of two layers of randomly–reinforced fiberglass plastic and cellularcore Divinycell ™ P100. Mechanical characteristics of fiberglass skin for the numerical model have been determined from experiments on tension, bending and shear. Porous core was considered as a solid nonlinear hyperelastic material model Ogden Foam (first order). The constants of the model were determined from the corresponding curves under uniaxial and biaxial tension/compression, pure shear, and triaxial tension/compression for evaluating volume change. Since the carry out of such experiments is difficult, necessary strain diagrams were obtained from the calculation of the elementary Kelvin cell (tetrakaidodekaedr) suitable Bulletin of the South Ural State University. Ser. Mechanical Engineering Industry. 30 2015, vol. 15, no. 4, pp. 23–30 for describing the structure of a regular core. Cell Kelvin is a recurring form, space-filling without voids, with a minimum ratio of surface area to volume. The calculation results of the local deformation of a three-layer sandwich panel with using a model hyperelastic material Ogden Foam satisfactorily reflected the observed non-linearity diagrams in experiments and show the full energy equivalence until the destruction of skin by the shear. Thus, the developed finite element model can be used to predict the strength and energy absorption limit in low velocity impact loading studies.