Forscher von Virginia Tech entwickeln IGA für eine effizientere Modellierung von Haut-Stringer-Verbundwerkstoffen mit komplexen Ausschnitten

Einheitliche Strukturen werden verwendet, um leichtere und umweltfreundlichere Flugzeuge zu bauen. Solche fortschrittlichen, mehrschichtigen Verbundwerkstoffe bieten ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und werden daher unter anderem in der Luft- und Raumfahrtindustrie und im Schiffbau zunehmend eingesetzt.

Bei der Verwendung in Hyperschall-Raumfahrzeugen erfahren solche Strukturen jedoch in kurzer Zeit einen erheblichen Temperaturanstieg, der aus der aerodynamischen Erwärmung aufgrund der Reibung zwischen der Fahrzeugoberfläche und der Atmosphäre resultiert. Solche Phänomene treten während Wiedereintritts- und Startvorgängen stärker auf. Aus diesem Grund ist die Berücksichtigung der thermischen Effekte bei der Auslegung und Analyse solcher Strukturen wichtig.

Aufgrund gestiegener Anforderungen an Schichtverbundwerkstoffe ist für eine Vielzahl von technischen Anwendungen der Einsatz von Platten mit beliebig geformten Aussparungen unumgänglich. Die Reaktion von Strukturen auf Lasten kann jedoch durch das Vorhandensein solcher Ausschnitte erheblich beeinflusst werden. Da die Untersuchung laminierter Verbundwerkstoffe mit Aussparungen ein komplexes Problem darstellt, werden numerische Methoden umfassend verwendet. Jetzt haben Forscher des Virginia Polytechnic Institute und der State University (Virginia Tech, Blacksburg, Virginia, USA) die kürzlich entwickelte isogeometrische Analyse (IGA) kombiniert, um krummlinig versteifte Verbundplatten mit Ausschnitten verschiedener Formen und Größen zu modellieren.

Dr. Balakrishnan Devarajan, ein ehemaliger Doktorand der Unitized Structures Group an der Virginia Tech, sagt Dr. Balakrishnan Devarajan:„IGA bietet eine höhere Genauigkeit und Effizienz und repräsentiert die exakte Geometrie der Versteifungen auf jeder Ebene der Netzverfeinerung. Es ermöglicht auch mehr Flexibilität bei der Verfeinerung in der Nähe der Bereiche, in denen die Versteifungen und die Verbundplatte verbunden sind.“

Die von Dr. Devarajan und seinem Mitarbeiter, Dr. Rakesh Kapania, abgeschlossene Entwicklung führt einen neuartigen Weg ein, um eine Verschiebungskontinuität zwischen den Kontrollpunkten der Versteifung und der Platte unter Verwendung einer Interpolationsfunktionsmatrix zu erreichen. Die krummlinige Steife wurde durch nur drei Kontrollpunkte genau erzeugt (Abb. 1). Die Forscher verwendeten mehrere Patches, um komplexe Ausschnittsgeometrien zu erstellen, und formulierten auch eine Methodik zur Durchsetzung von Schnittstellenbedingungen, die die Kontinuität höherer Ordnung über mehrere Patches hinweg bewahrten. Die entwickelte Methode vermeidet die Notwendigkeit, die Versteifungsknoten mit den Knoten der Platte zusammenfallen zu lassen.

Analyse und Vergleich mit Standard-Finite-Elemente-Methoden zeigen höhere Konvergenzraten, Genauigkeit und Effizienz mit IGA. Diese Arbeit wird in Kürze als OpenSource-Code auf GitHub verfügbar sein. Die Forschung wurde im Composite Structures . veröffentlicht Artikel:„Thermisches Beulen von krummlinig versteiften Verbundplatten mit Ausschnitten mittels isogeometrischer Analyse“.