FEM Shear of a Composite Block/ro

Introducere
În acest tutorial, analizăm deformarea de forfecare a unui bloc compozit constând dintr-un miez rigid încorporat într-o matrice flexibilă.Aceasta demonstrează utilizarea BooleanFragment și CompoundFilter pentru a crea solide pentru bloc și matrice din două cuburi concentrice. Acest flux de lucru asigură faptul că pot fi definite separat MeshRegions, Materiale și Condiții de limită pentru bloc și matricea înconjurătoare. Pentru a selecta regiuni interne, vom face uz de macrocomanda lui Markus Hovorka (https://github.com/drhooves/SelectionTools). Rezultatele CalculiX arată clar efectul nucleului rigid asupra răspunsului blocului de compozit.

Geometrie
Mai intai creeăm doua cuburi concentrice, unul cu latura având dimensiunea de 10mm și un altul cu dimensiunea de 5mm. Acest lucru se face în Atelierul "Part". Implicit, cubul este plasat la originea [0, 0, 0], astfel încât cubul mai mic trebuie redus și schimbat prin schimbarea setărilor din fila Date a panoului proprietăților. Pentru a face ca miezul să fie vizibil, Transparența blocului exterior este setată la 50 în fila Vizualizare a panoului de proprietăți. Rezultatul este prezentat mai jos.



Next highlight the two blocks in the tree and create a BooleanFragments object (Part > Split > Boolean Fragments). In the "Property Window - Data Tab" change Mode to CompSolid. Now highlight the BooleanFragments in the Object tree and create a CompoundFilter (Part > Compound > Compound Filter).



Mesh and Mesh Regions
From workbench FEM we create an Analysis container. This will contain all definitions required for the CalculiX analysis and its results. Note that this Analysis container needs to be activated (right-click and select "Activate analysis") whenever re-loading the file or after switching back from other analyses. To start the meshing process, highlight the CompoundFilter in the Object Tree and activate the meshing dialog "Mesh > FEM mesh from shape by Gmsh". Leave the dialog by clicking OK.

A Mesh object is now created in the Object Tree. Highlight this object and create a Mesh Region object via "Mesh > FEM mesh region". Open the dialog box for this Mesh Region by double clicking and tick the radio button for Solid. Next click the "Add Reference" button and select the CompoundFilter object in the Graphical Window. This should add a reference to "CompoundFilter:Solid1" in the object list of the Mesh Region. Finally specify the maximum element size for this region (5mm in the current analysis). Leave the dialog by clicking OK.



Next create a new Mesh object as above and use the selection macro (shortcut S, E) to select the Cube_Core object in the Graphical Window. This time the reference list should show "CompoundFilter:Solid2", as below. We chose a maximum element size of 1mm.

Note1: Selection of "CompoundFilter:Solid2" requires selection of one of its faces.

Note2: If you have difficulty selecting "CompoundFilter:Solid2" it may be because you forgot to set the BooleanFragments mode to CompSolid.



Material Assignment
Material is assigned to Mesh Regions via a SolidMaterial object. In this tutorial we assign two materials; one for the Matrix and one for the Core.

Start by selecting the CompoundFilter in the object tree. Then create a SolidMaterial object via menu option "Model > FEM material for solid". Open the dialog and tick the radio button for Solid, press "Add Reference" and select the CompoundFilter object from the Graphical Window. The reference list should now show "CompoundFilter:Solid1", as before. We assign ABS material to the Matrix, with a Young's modules approximately 1% that of steel.



Repeat the above procedure for the Core ("CompoundFilter:Solid2") with the help of the selection macro. This time we assign CalculiX-Steel, which is much stiffer than the ABS material for the Matrix.

Sliding Support
To create a "Simple Shear" condition for the composite block the deformations at the boundaries need to be unconstrained. To achieve this, the block is placed on a sliding support. This leaves three degrees of freedom in the plane of the support (2 translations and a rotation) and those will be constrained later. (Note: as the plane prevents warping of the face, it still induces a minor constraint, which could be eliminated by a different choice of boundary conditions). To create a sliding boundary condition add a FemConstraintDisplacement object (Model > Mechanical Constraints > Constraint displacement). With the dialog box open first select the face to which the boundary conditions is to be applied and then click the Add button. As the block is allowed to slide in the x-y plane, only the "Fixed" radio button for "Displacement z" is selected and the other radio buttons are all left as "Free".



Fixed Nodes
To prevent rigid body motion in the plane of sliding, three independent degrees of freedom need to be eliminated. To achieve this, one vertex in the plane of sliding is constrained in x and y direction (eliminating 2 degrees of freedom) and one vertex is fixed in the x direction (eliminating the last degree of freedom). For this purpose two additional FemConstraintDisplacement objects are created and the result is shown below.



Forțe de forfecare
Ultimul pas în definirea Analizei este aplicarea încărcărilor. Pentru a crea o condiție simplă de forfecare, se aplică un set de sarcini de forfecare, după cum se arată mai jos. Fiecare sarcină este aleasă de 1000 N și având în vedere direcțiile de aplicare, forța și momentul de echilibru sunt atinse pentru toate translațiile și gradele de libertate rotative. În FC acest lucru necesită adăugarea a patru obiecte FemConstraintForce (Model> Constrângeri mecanice> Forța de constrângere) - câte una pentru fiecare față. Cu prima casetă de dialog, apăsați butonul Adăugare referință și apoi selectați fața pe care se va aplica condiția de margine (Notă: aceasta este o secvență diferită față de cea cu FemConstraintDisplacement). Implicit, aceasta creează un set de forțe perpendiculare pe față (adică o forță normală). Pentru a schimba această forță la o forță de forfecare, apăsați butonul de direcție și selectați o margine cub care merge în direcția dorită. Dacă forța rezultată indică o direcție opusă a ceea ce este necesar, apoi selectați butonul radio pentru "Direcția inversă".



CalculiX Analysis
Now all mesh regions, material and boundary conditions have been defined we are ready to analyse the deformation of the block with CalculiX. Activate the Analysis by right clicking "Activate analysis", open the CalculiX dialog by double clicking the CalculiXccxTools object and select a directory for the temporary files created by both FC and CCX. Write CCX Input file and check for any warning or error messages.



After that the analysis can be started by pressing the RunCalculiX button. If all goes well, the CCX output window should show the following messages.



CalculiX Results
Upon completion of the analysis double click the "CalculiX_static_results" object and select the "Abs displacement" option. The maximum displacement of ~ 0.08mm will show up in the relevant output box. As the maximum displacement is relatively small compared to the dimensions of the block (<1% of the block size), the displacements need to be scaled up. This can be done under the heading "Displacement" by ticking the "Show" radio button and scaling the displacement by a factor of -say- 20. The maximum displacement will now be exaggerated to approximately 20% of the box size. After closing the dialog window, the deformed mesh can be made visible again by highlighting the Result_mesh object and pressing the space bar.



To investigate the deformation of the core we have to slice the block. This can be done by creating a clip filter. To activate this functionality, we first need to create a "post processing pipeline" by highlighting the "CalculiX_static_results" object and choosing "Results > Post Pipeline from Result" from the menu. Next, with the Pipeline selected create a Warp Filter (Results > Warp filter), set Vector=Displacement and Value=20 to scale the displacement and Display Mode = "Surface with Edges", Coloring Field = "Displacement", Vector = "Magnitude" to show colored displacement contours. Press Apply and OK. As a final step add a Clip Filter (Results > Clip filter) and create a plane with origin [5.0,2.5,5.0] and normal [0,1,0], i.e. at a core face with normal in the y-direction. Tick the "Cut Cells" radio button to create a flat surface. As before set Display Mode = "Surface with Edges", Coloring Field = "Displacement", Vector = "Magnitude" to show colored displacement contours. Press Apply and OK. Finally switch the Warp Filter to invisible to only show the cut block.



Din rezultat este clar că miezul rămâne în mare parte nedeformat și ajută să reziste la deformarea matricei moi (comparați unghiul de forfecare a părții albastre cu cel al părții verzi). Ceea ce se evidențiază, de asemenea, este faptul că, în condiții de forfecare simplă, fețele blocului compozit se răsucesc, ceea ce implică faptul că starea limită alunecătoare de la baza cubului oferă o constrângere nejustificată.

Further work
The following challenges may be interesting to take up as a further exercise:

1) Correct for the undue constraint imposed by the sliding boundary condition

2) Try and create contact boundary conditions between the core and the matrix to see if separation occurs

Fișierul FC pentru acest tutorial este atașat mai jos ca un punct de pornire.

https://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=26517&start=20

Distracție Plăcută !