Вирджинские исследователи разрабатывают IGA для более эффективного моделирования композитов кожа-стрингер со сложными вырезами

Модульные конструкции используются для создания более легких и экологически чистых самолетов. Такие современные многослойные композитные материалы обеспечивают высокое отношение прочности к весу и поэтому все чаще используются в аэрокосмической и судостроительной отраслях, а также в других отраслях.

Однако при использовании в гиперзвуковых космических аппаратах такие конструкции за короткое время испытывают значительное повышение температуры в результате аэродинамического нагрева из-за трения между поверхностью аппарата и атмосферой. Такие явления более заметны во время процессов входа в атмосферу и запуска. По этой причине учет тепловых эффектов важен при проектировании и анализе таких конструкций.

Из-за увеличения требований, предъявляемых к ламинированным композитам, для множества инженерных приложений неизбежно использование пластин с вырезами произвольной формы. Но на реакцию конструкций на нагрузки может существенно повлиять наличие таких вырезов. Поскольку исследование слоистых композитов с вырезами представляет собой сложную задачу, широко используются численные методы. Теперь исследователи из Политехнического института Вирджинии и Государственного университета (Технологический институт Вирджинии, Блэксбург, Вирджиния, США) объединили недавно разработанный изогеометрический анализ (IGA) для моделирования криволинейно усиленных композитных панелей с вырезами различных форм и размеров.

По словам доктора Балакришнана Девараджана, бывшего аспиранта группы унифицированных конструкций в Технологическом институте Вирджинии, «IGA предлагает повышенную точность и эффективность и представляет точную геометрию ребер жесткости на каждом уровне детализации сетки. Это также обеспечивает большую гибкость при доработке вблизи участков, где соединяются ребра жесткости и композитная пластина ».

Разработка, завершенная доктором Девараджаном и его сотрудником, доктором Ракешем Капаниа, представляет новый способ достижения непрерывности смещения между контрольными точками элемента жесткости и пластиной с использованием матрицы функции интерполяции. Криволинейный элемент жесткости был точно произведен только по трем контрольным точкам (рис. 1). Исследователи использовали несколько патчей для создания сложной геометрии вырезов, а также сформулировали методологию для обеспечения соблюдения условий интерфейса, которые сохраняли бы непрерывность более высокого порядка в нескольких патчах. Разработанный метод устраняет необходимость совпадения узлов ребра жесткости с узлами пластины.

Анализ и сравнение со стандартными методами конечных элементов показывают более высокие показатели сходимости, точности и эффективности при использовании IGA. Эта работа скоро будет доступна в виде кода с открытым исходным кодом на GitHub. Исследование опубликовано в Composite Structures статья:«Термическое изгибание криволинейно упрочненных многослойных композитных пластин с вырезами с использованием изогеометрического анализа».