Моделювання напружено-деформованого стану роз'ємного з'єднання в деталях з армованих композиційних матеріалів методом СЕА

Abstract

З метою дослідження міцності запропонованого роз'ємного з'єднання з круглою різьбою для деталей, виготовлених з армованих композиційних матеріалів, було проведене моделювання напружено-деформованого стану з використанням системи скінченно-елементного аналізу LS-DYNA. Моделювання напружено-деформованого стану, відбувалося для різьбового з'єднання з круглою різьбою, основними параметрами, що впливають на працездатність, якого вважаються p – крок різьб (p = 4 мм), і t – глибина профілю різьби (t = 1 мм) (профіль зображено на рис. 2) згідно з ISO 10208 та DIN 20317. Основні параметри різьби, що брали для моделювання, були наближені до параметрів, які має метрична різьба М6 (ГОСТ 24705-81). Гайка з армованих композиційних матеріалів із круглою внутрішньою різьбою та металева вставка із зовнішньою різьбою для проведення моделювання були виконанні у вигляді 3D-CAD-моделей у графічному редакторі SOLIDWORKS, для скорочення часу розрахунків із з’єднання був вирізаний окремий сегмент. Створення скінченно-елементної сітки також виконане засобами цього графічного редактора, до складу якого входить модуль COSMOSWORKS, що має вбудований генератор даної сітки. Розмір скінченних елементів гайки з армованого композита вибирали виходячи з того, щоб розрахунок займав прийнятний час. Розмір грані скінченного елемента становив від 0,05 до 0,15 мм. Механічні характеристики армованого композиційного матеріалу отримували експериментальним шляхом та вносили до командного файлу LS-DYNA за допомогою двох ключових слів: *MAT_COMPOSITE_DAMAGE – модель матеріалу тип 22 та *MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC – модель матеріалу тип 10. Поєднання цих ключових слів при створенні моделі анізотропного тіла дозволило в повному обсязі задати всі механічні властивості армованого склопластикового матеріалу для моделювання. Одержані в результаті основні показники міцності виявилися на досить високому рівні – максимальна сила, яку витримало з'єднання, згідно з даними моделювання становила Fmax = 13,76 кН. Максимальні напруження та деформації згідно з опрацьованими в постпроцесорі LS-PrePost-2.4 даними моделювання варіюються в досить високих межах, що підвереджує гіпотезу адекватної роботи роз'ємного різьбового з'єднання з круглою різьбою в деталях, виготовлених з армованих композитів, через відсутність гострих концентраторів напружень та дає підставу для подальшого проведення експериментального дослідження міцності.The strain-stress state simulation has been made by FEM (finite element method) simulation software LS-DYNA for strength investigation of proposed rope thread detachable joint for reinforced composites. The stress-strain state simulation occurred for the rope thread detachable joint for reinforced composites. Main affecting working efficiency parameters are p – a screw thread pitch (p = 4 mm), and t – a thread depth (t = 1 mm, the profile is depicted in Figure 2) according to ISO 10208 and DIN 20317. The main thread parameters for modeling have been approximated to metric thread M6 (GOST 24705-81). The nut made of reinforced composites with inner rope thread and a metal threaded insert for simulation have been presented as the 3D computer-aided engineering models formed in computer program SOLIDWORKS. A separate segment is cut to the calculation time reduce. Also, a finite-element mesh is created by mentioned program: it includes a module of finite-element analysis COSMOSWORKS, which has a built-in finite element mesh generator. The finite element's size of a reinforced composite nut is chosen based on reasonability for calculation time. The edge finite element’s size was from 0.05 up to 0.15 mm. The elastic properties of the reinforced composite material have been obtained experimentally and input into the LS-DYNA command file, using the two keywords *MAT_COMPOSITE_DAMAGE – material model type 22 and *MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC – material model type 10. A combination of these key data in creating an anisotropic rigid body model has allowed to fully fulfill simulation of all fiber reinforced material's mechanical properties during modeling. The resulting main strength properties are appeared to be high enough - the maximum axial force that the compound withstands according to the simulation has been found equal to 13.76 kN. The maximal stresses and strains according to the postprocessor LS-PrePost-2.4 results vary in rather high limits, which underscore the hypothesis of rope thread detachable joint’s performance adequacy in the reinforced composite parts due to the absence of sharp stress concentrators, and provide the basis for further experimental strength study.