Ověření a porovnání metodik modelování 3D tkaných kompozitních materiálů

Bc. Eduard ŠIMŮNEK

Master's thesis

Abstract:

Tato diplomová práce je zaměřena na rozdílné způsoby modelování 3D tkaných kompozitních materiálů pomocí metody konečných prvků v softwaru VPS. Cílem práce bylo provést analýzu výsledků modelů standardizovaných tahových, tlakových a smykových zkoušek a porovnat je s experimenty. K tvorbě modelů 3D tkaných kompozitů byly při diskretizaci snopků a matrice použity přístupy Voxel, 3D snopky a Shell. Voxel přístup diskretizuje celý model pravidelnou sítí elementů, které jsou rozděleny na prvky snopků a matrice. U 3D snopků je využita přesná diskretizace snopků a pravidelná síť matrice. U Shell přístupu je snopek diskretizován skořepinovými prvky, které jsou umístěny na pozici střední roviny snopku. Nejprve byly vzájemně a s experimenty porovnány výsledky simulací různě zatížených reprezentativních objemových elementů (RVE), které představují nekonečně se opakující strukturu díky aplikaci periodických okrajových podmínek na hranici RVE. K určení materiálových parametrů snopku a materiálových parametrů tkaniny byla provedena víceúrovňová homogenizace ve výpočtovém prostředí VPS. Poté byly vytvořeny modely standardizovaných testů, kde jsou vlastnosti vzorků popsány homogenizovanými materiálovými parametry tkaniny. Stejné vzorky byly vytvořeny kopírováním Voxel RVE a Shell RVE do geometrie kompozitních vzorků použitých při standardizovaných testech.

Abstract:

This master's thesis is focused on different ways of modeling 3D woven composite materials using the finite element method in VPS software. The aim of the work was to analyze the results of models of standardized tensile, compressive and shear tests and compare them with experiments. The Voxel, 3D yarns and Shell approaches were used to discrete the yarns and matrix to create models of 3D woven composites. The Voxel approach discretizes the whole model by a regular mesh, which is divided into yarn and matrix elements. For 3D yarns, precise discretization of the yarns and a regular matrix mesh are used. In the Shell approach, the yarn is discretized by the shell elements that are located at the position of the middle plane of the yarn. First, the results of simulations of differently loaded representative volume elements (RVE), which represent an infinitely repeating structure because of the application of periodic boundary conditions at the RVE boundary, were compared with each other and with experiments. To determine the material parameters of the yarn and the material parameters of the fabric, a multiscale homogenization was done in the VPS computing environment. Then, models of standardized tests were created, where the properties of the samples are described by homogenized material parameters of the fabric. The same samples were created by copying Voxel RVE and Shell RVE into the geometry of the composite samples used in the standardized tests.

Keywords

3D tkanina, víceškálová homogenizace, RVE, periodické okrajové podmínky, Voxel, Shell, VPS, standardizované testy, snopek, matrice

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 5. 2022

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Tomáš Kroupa, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Master programme / field:
Applied Mechanics / Výpočty a design konstrukcí