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.



Apoi evidențiați cele două blocuri ale arborelui și creați un obiect BooleanFragments (Partea> Split> Fragmente Booleene). În fereastra "Property Window - Data Tab" schimbați modul la CompSolid. Acum, evidențiați Fragmentele Boolean din arborescența Obiect și creați un CompoundFilter (Component> Compus> Filtru Compus).



Regiunile de plasă și ochiurile de plasă
De la masa de lucru FEM vom crea un container de analiză. Aceasta va conține toate definițiile necesare pentru analiza CalculiX și rezultatele acesteia. Rețineți că acest container de analiză trebuie activat (faceți clic dreapta și selectați "Activare analiză") ori de câte ori reîncărcați fișierul sau după trecerea de la alte analize. Pentru a porni procesul de întindere, evidențiați CompoundFilter în Arborele Obiect și activați dialogul de plasare "Mesh> FEM mesh from shape by Gmsh". Lăsați dialogul făcând clic pe OK.

Acum este creat un obiect Mesh în Arborele Obiect. Evidențiați acest obiect și creați un obiect din zona Mesh prin "Mesh> FEM mesh region". Deschideți caseta de dialog pentru această regiune a rețelei, dând dublu clic pe și bifați butonul radio pentru Solid. Apoi faceți clic pe butonul "Adăugați o referință" și selectați obiectul CompoundFilter din fereastra grafică. Aceasta ar trebui să adauge o trimitere la "CompoundFilter: Solid1" în lista de obiecte a regiunii Mesh. În final, specificați dimensiunea maximă a elementului pentru această regiune (5mm în analiza curentă). Lăsați dialogul făcând clic pe OK.



Apoi, creați un obiect Mesh nou ca mai sus și utilizați macrocomanda de selecție (comanda rapidă S, E) pentru a selecta obiectul Cube_Core din fereastra grafică. De această dată lista de referințe ar trebui să afișeze "CompoundFilter: Solid2", după cum urmează. Am ales o dimensiune maximă a elementului de 1mm.

Notă1: Selecția "CompoundFilter: Solid2" necesită selectarea uneia dintre fețele sale.

Notă2: Dacă aveți dificultăți la selectarea "CompoundFilter: Solid2", este posibil să fi uitat să setați modul BooleanFragments la 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 !