Объемный материал может быть усилен более жестким внешним слоем или связанной с ним балочной конструкцией (например, композитная балка с заполнителем из пеноматериала). В Abaqus такие слои или балки могут быть включены путем создания оболочек или балок, привязанных к объемному материалу. Однако более эффективным является использование skin /обшивки/ для моделирования оболочечного слоя или stringer /стрингера/ для моделирования балки. С помощью этих опций создаются дополнительные оболочечные (обшивка) или балочные (стрингер) элементы, которые имеют общие узлы с подстилающей сеткой. Для них не нужно строить отдельную КЭ сетку и создавать tie-связи. Свойства для них могут быть заданы как для обычных оболочечных или балочных элементов.
Далее покажем, как задать skins /обшивку/ и stringers /стрингера/ и назначить им свойства.
Пример: удар шарика в кусок пеноматериала
В качестве примера будет использован шарик, ударяющий в кусок пеноматериала (Рис. 1). В верхней части этого пеноматериала будет добавлен слой стали с использованием skin /обшивки/, а по краям будут балочные подкрепления с использованием stringers /стрингеров/.
Рисунок 1: Модель без использования обшивки и стрингеров
Шар имеет диаметр 80 мм и предполагается абсолютно жестким. Он имеет массу 500 граммов. Он может двигаться только в вертикальном направлении и имеет начальную скорость 10 м/сек. Пеноматериал имеет размеры 200 x 200 x 100 мм и свойства гиперпенного материала (вспененые резины). Также в состав входит стальная пластина. Дно этой пластины закреплено по всем направлениям. Используется контакт типа General /контакт общего вида/ с формулировкой normal behaviour /поведение по нормали к поверхности/ и коэффициентом трения равным 0.26. Решение задачи выполняется в модуле Abaqus/Explicit. Результаты этого анализа можно посмотреть в видеоролике.
Создание skin /обшивки/
Теперь модель будет дополнена стальным слоем толщиной 0.1 мм поверх пеноматериала с использованием skin /обшивки/. Обшивка может быть создана в модуле Property /Свойства/, когда открыта деталь из пеноматериала путем выбора в меню Special > skin > create…. (Рисунок 2).
Рисунок 2: Создание skin /обшивки/
Следующим шагом является выбор геометрических примитивов, на которых будет создана обшивка, в данном случае это верхняя грань пеноматериала (Рис. 3).
Рисунок 3: Геометрический примитив, на котором нужно создать указанную обшивку.
После подтверждения операции, обшивка будет задана и видна в дереве модели (Рис. 4), хотя никаких изменений в геометрии увидеть будет нельзя.
Рисунок 4: Дерево модели, включающее обшивку
У skin /обшивки/ пока нет свойств. Требуется задание сечения оболочки. В данном случае задается оболочка с сечением толщиной 0.1 мм из идеально упругопластического стального материала. Чтобы назначить сечение, можно использовать обычный инструмент "assign section /назначить сечение/". Чтобы упростить выбор обшивки, можно выбрать в выпадающем списке панели инструментов "skins" в качестве возможных областей для выбора (Рис. 5). Теперь обшивка может быть легко выбрана и для нее легко может быть назначено сечение.
Рисунок 5: Выбор "Skins" в качестве потенциальной области для выбора
На этом шаге стальной слой включен в модель и соединен с пеноматериалом. Создание отдельной сетки для обшивки не требуется, так как она имеет общие узлы с подстилающей сеткой пеноматериала.
Создание stringers /стрингеров/
Стрингеры создаются таким же образом, как и обшивки: в модуле Property /Свойства/, когда отрыта соответствующая деталь, выбирается пункт меню Special > stringer > create…. В этом случае вертикальные ребра пеноматериала выбираются в качестве примитивов для создания stringer /стрингера/ (Рис. 6).
Рисунок 6: Расположение стрингера
Теперь stringer появляется в дереве модели, хотя никаких изменений в геометрии увидеть будет нельзя. Как и в случае с обшивкой, для стрингера должны быть назначены свойства. Как и в случае с обычными балками, требуется назначение сечения и ориентации балки. Задается сечение балки, соответствующее балке с круглым поперечным сечением (диаметром 1 мм) и свойства идеально упругопластического стального материала. Этот сечение присваивается stringer /стрингеру/. Опять же, выбор области может быть упрощен путем выбора лишь определенных типов областей, в данном случае Stringers /Стрингеров/. Данный фильтр можно также использовать при выборе области для назначения ориентации балки. Модель теперь полностью определена, а значит, может быть создано job /задание/ и submitted /отправлено на счет/.
Соответствующий входной файл
Как указывалось ранее, skins /обшивки/ и stringers /стрингеры/ соответствуют новым элементам, которые имеют общие узлы с базовой геометрией. Это должно быть видно во входном файле. Чтобы сделать входной файл более понятным, количество разбиений КЭ сетки выбирается так, чтобы объемный пеноматериал был представлен одним элементом (Рисунок 7). Тогда мы действительно видим, что хотя новые номера элементов используются для определения элементов, соответствующих обшивке и стрингеру, эти элементы имеют те же номера узлов, что и объемный материал.
Рисунок 7: Входной файл для детали пеноматериала с обшивкой и стрингером. Размер элемента очень большой: объемный пеноматериал соответствует одному элементу.
Результаты
Обычные опции визуализации толщины оболочки и профиля балки также работают для обшивок и стрингеров (Рисунок 8).
Рисунок 8: Включение отображения профилей балок и толщины оболочки
Влияние дополнительного слоя стали отчетливо видно в картине деформации: деформация становится менее плавной и в стальной оболочке происходит пластическая деформация (Рис. 9 и видео).
Рисунок 9: Модель без (слева) и при наличии (справа) обшивки и стрингера. Цветовое кодирование выполнено на основе свойств материала.
Заключение
Обшивки и стрингеры - это простой способ задания оболочек или балок, которые будут иметь общие узлы с основной геометрией. Их можно использовать для того, чтобы смоделировать подкрепления, которые устанавливаются на материал. Обшивки и стрингеры могут быть определены не только на твердотельных объектах. К примеру, материал в виде многослойной оболочки также может быть задан с использованием skins /обшивок/.
