적층 복합재의 시뮬레이션 및 최적화, 적층 응력 및 변형 해석, 신뢰성 있는 파손 예측

복합재는 수 천년 동안 계속 사용되고 있습니다. 예를 들면 어도비 벽돌의 경우 진흙과 밀짚으로 만들어진 복합재라고 할 수 있습니다. 복합재의 물리적 특성은 구성하고 있는 각 재료의 물리적 특성의 조합에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 탄소 섬유등과 같은 현대의 첨단 복합재료는 경량, 강성, 내구성, 내열성 등 잘 알려진 특성을 겸비하고 있습니다. 오늘날, 알루미늄이나 철과 같은 금속 대신 복합재로 만들어진 부품이나 제품들의 장점은 여러 업계에서 인정받고 있습니다.

“가공 재료”로 정의되는 복합재들은 중량과 성능면에서 제품 제조업체에 여러 이점을 제공하고 있습니다. 그러나, 금속과 같은 평범한 재료와 비교해 볼 때 제품 설계 시 여러 가지 어려움을 수반합니다. 박리, 파손으로 이어질 미세 균열, 기타 다른 특성 등은 금속으로 설계할 때는 무시해도 상관없던 요소들이지만, 복합재에 있어서는 매우 중요하게 고려해야 하는 것들입니다. 제조 공정은 장기적인 과정이면서 동시에 큰 비용을 수반하기 때문에, 물리적 프로토 타입은 비현실적이라고 볼 수 있습니다. 적절한 CAE 툴 없이 적절한 복합재를 선택하기까지 많은 시간과 비용을 소비하게 됩니다.

MSC Software의 광범위한 복합재 솔루션은 복잡한 복합재 설계를 분석하고 개선할 수 있게 도와줍니다. MSC가 제공하고 있는 툴들은 고급 복합재, 샌드위치 판넬, 플라스틱, 나노 복합재, 합성 금속 등 수많은 종류의 복합재들에 적합합니다.

MSC Software 제품은 다양한 복합재 모델링에 사용되고 있습니다:

• 탄소섬유 강화 복합재
• 복합재 적층 설계
• 점성 영역 모델링
• 양생 및 수축
• 파손 여유치
• 박리
• Laminate Modeler를 통한 적층
• 피로해석
• 전단 랩 조인트 해석
• 첫번째층 파괴 - Hill, Tsai-Wu, Hashin, Puck 및 기타
• 허니콤 샌드위치 구조
• 거시-기계적 해석
• 미시-기계적 해석
• 복합재 구조의 다중 스케일 모델링
• 비선형 거동
• 입자 강화 재질
• 점진적 층 파괴
• 스프링 백
• 나노 복합재
• 적층 구성에 대한 응력해석
• 온도 의존성
• 가상 균열 닫힘 기술

산업체 적용사례: 

Aerospace & Defense: 엔진 흡입구, 보조 날개, 레이더 돔, 항공기 판넬, 플로어, 도어, 열 차단막, 날개 구조, 방향타, 헬리콥터 동체, 로터 날개, 총알 관통 보호.

Automotive: 차체 판넬, 샤시, 범퍼, 브레이크 로터, 조종간, 트림, 계기판.

Consumer Products: 스포츠 용품, 포장재, 전자제품 방열핀, 자전거 프레임, 헬멧, 가구, 건축물 재질.

Energy: 풍력 터빈 날개, 태양열 전지판, 파이프 등을 포함한 해양구조물, 압력용기.

Medical: 보철, 재활 보조기구, 하중지지 임플란트, 수술 도구, 내시경 도구, 복강경 수술도구, 흡입 기구, 세척 기구.

Manufacturing

Identifying and dealing with manufacturing problems at the design stage, saves considerable cost downstream.

For instance, many composite components require draping of multiple plies over curved surfaces. This could lead to material shearing, excessive stretching and a marked change of fiber orientation. Excessive shearing can lead to manufacturing difficulties, and if the fibers deviate considerably from the desired orientation, it could lead to a compromised structure.

MSC algorithms, deal with this problem by helping predict the fiber orientations and shear of unidirectional and woven plies as they drape around curved and complex surfaces.

Stress Analysis

With MSC Software’s solutions, you can study the behavior of composite structures across the loading spectrum. You can perform both linear and nonlinear analysis to predict the response of these structures accurately.

• Linear and Nonlinear Static
• Linear and Nonlinear Transient
• Normal Modes
• Buckling
• Direct or Modal Frequency Response
• Direct or Modal Complex Eigenvalue
• Direct or Modal Transient Response
• Heat Transfer
• Thermal-Structural Analysis

Easy to use contact set up saves you significant modeling effort, while providing the robustness and accuracy you require in designing composite structures.

Failure Analysis

Due to the heterogeneous and layered nature of composites, multiple failure mechanisms affect the performance of composites during service.

The damage buildup can be gradual leading to performance degradation and to ultimate failure.

• Progressive Failure Analysis: Predict progression of damage in the materials using any of the multiple failure criteria including Maximum Stress, Maximum Strain, Hill, Hoffman, Tsai-Wu, Hashin, Puck, Hashin-Tape or Hashin-Fabric.
• Delamination: Analyze weakening and failure of bond between the plies using Cohesive Zone Modeling technique.
• Crack Propagation: Simulate crack propagation using Virtual Crack Closure Technique (VCCT) to design products with better crack growth resistance.

Optimization

MSC’s design optimization solution enables users to optimize their designs and save material costs

Composite materials can be engineered to suite specific applications. However, trial and error designs with physical prototyping can be very expensive. MSC's design optimization solution enables users to optimize their designs and save material costs, by minimizing weight and solving for individual ply thickness and orientations.

By taking advantage of a complete suite of optimization capabilities, that include shape, sizing and topology optimization, users can innovate faster.

Micro- and Macro-scale Analysis

Digimat, lets engineers do both micro- and macro-scale analyses of composites - to calculate their mechanical, thermal and electrical properties for use in all sorts of downstream FEA analyses.

For instance, in the case of molded materials, engineers typically start modeling by gathering material information and strand orientation data from Moldflow, 3D-Sigma, Moldex3D, Simpoe or another injection molding simulation solution. Digimat-MAP calculates residual stresses and temperature from the injection molding mesh and defines an ideal structural FEA mesh.

From here, engineers can import these parameters into a commercial FEA program, like MSC Nastran or Marc. They may also use Digimat’s MF, MX, FE modules to look at test data for the composite and its constituents and look at promising material candidates.

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• Digimat 비선형 멀티 스케일 재료 및 구조 모델링 플랫폼
• Dytran 외연적 비선형 동역학 및 유체-고체 연성해석
• FEA, AFEA and TFEA 구조, 비선형 & 열 해석 패키지
• Marc 고급 비선형 시뮬레이션 솔루션
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