|
|
@@ -1,13 +1,9 @@
|
|
|
-\chapter{Геометрическая модель тканого композиционного материала с
|
|
|
-искривленными волокнами и внутренними технологическими дефектами}
|
|
|
+\chapter{математическая модель слоя тканого композиционного материала
|
|
|
+полотняного плетения с локальными технологическими дефектами}
|
|
|
|
|
|
В главе\insecondtext
|
|
|
|
|
|
-\section{Разработка твердотельной модели тканого композита с искривленными
|
|
|
-волокнами}
|
|
|
-
|
|
|
-\subsection{Геометрическая модель слоя тканого композита}
|
|
|
-\label{c1:geometry}
|
|
|
+\section{Твердотельная модель тканого композита полотняного плетения}
|
|
|
|
|
|
Будем моделировать слой тканого композита с армирующим каркасом полотняного
|
|
|
переплетения образованного волокнами круглого поперечного сечения
|
|
|
@@ -61,8 +57,7 @@ bib:salome:additional_geom, bib:laduga:geom}.
|
|
|
Будем рассматривать случаи, когда между волокнами основы и утка присутствует
|
|
|
гарантированная просолойка матрицы~(рис.~\ref{fig:c2:fragment_slice}~а) либо
|
|
|
волокна основы и утка соприкасаются в местах наибольших кривизн, в следствие
|
|
|
-чего возникает наличие площадки контакта между
|
|
|
-волокнами~(рис.~\ref{fig:c2:fragment_slice}~б).
|
|
|
+чего возникает контакт между волокнами~(рис.~\ref{fig:c2:fragment_slice}~б).
|
|
|
|
|
|
\begin{figure}[ht]
|
|
|
\centering
|
|
|
@@ -120,17 +115,13 @@ bib:salome:additional_geom, bib:laduga:geom}.
|
|
|
карбонизацией или доосаждением матрицы из газовой фазы эти полости могут быть
|
|
|
заполнены материалом матрицы либо оставаться незаполненными.
|
|
|
|
|
|
-\clearpage
|
|
|
-
|
|
|
-\subsection{Постановка краевой задачи для слоя тканого композита}
|
|
|
-
|
|
|
-Будем предполагать, для простоты, что волокна и матрица слоя модельного
|
|
|
-тканого композита изотропные, линейно упругие, не изменяющие геометрию,
|
|
|
-взаимное расположение и тип симметрии при нагружении. Тогда компоненты
|
|
|
-тензора напряжений $\sigma_{ij,j} ({\bf r})$ удовлетворяют уравнениям равновесия
|
|
|
+Будем предполагать, что волокна и матрица слоя модельного тканого композита
|
|
|
+изотропные, линейно упругие, не изменяющие геометрию, взаимное расположение и
|
|
|
+тип симметрии при нагружении. Тогда компоненты тензора напряжений
|
|
|
+$\sigma_{ij} ({\bf r})$ удовлетворяют уравнениям равновесия
|
|
|
|
|
|
\begin{equation}
|
|
|
- \sigma_{ij,j} ({\bf r}) = 0,\label{eq:Eqvilibrium}
|
|
|
+ \sigma_{ij,j} ({\bf r}) = 0,\label{eq:c2:Eqvilibrium}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
\noindent а компоненты тензора малых деформаций $\varepsilon_{ij}$ связаны
|
|
|
@@ -139,7 +130,7 @@ bib:salome:additional_geom, bib:laduga:geom}.
|
|
|
\begin{equation}
|
|
|
\varepsilon_{ij} ({\bf r}) = \frac{1}{2}\left[u_{i,j} ({\bf
|
|
|
r}) + u_{j, i}({\bf r}) \right].
|
|
|
-\label{eq:Koshi}
|
|
|
+\label{eq:c2:Koshi}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
Введем для описания геометрии слоя тканого композита единичную
|
|
|
@@ -152,13 +143,13 @@ ${\bf r}$, которая принимает значение $1$, если то
|
|
|
\sigma_{ij} ({\bf r}) = \left\{ C_{ijkl}^{f}\lambda({\bf r}) +
|
|
|
C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
\varepsilon_{kl}({\bf r}),
|
|
|
-\label{eq:Guck}
|
|
|
+\label{eq:c2:Guck}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
\noindent где верхними индексами $f$ и $m$ отмечены материальные
|
|
|
коэффициенты, относящиеся к волокнам и матрице соответственно.
|
|
|
|
|
|
-Краевая задача \eqref{eq:Eqvilibrium}--\eqref{eq:Guck} должна
|
|
|
+Краевая задача \eqref{eq:c2:Eqvilibrium}--\eqref{eq:c2:Guck} должна
|
|
|
быть дополнена граничными условиями:
|
|
|
|
|
|
\begin{equation}
|
|
|
@@ -171,7 +162,7 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
\sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_5} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_5} =
|
|
|
\sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = 0,
|
|
|
\end{array}
|
|
|
- \label{eq:b_cond}
|
|
|
+ \label{eq:c2:b_cond}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
\noindent обеспечивающими заданное макрооднородное деформирование в плоскости
|
|
|
@@ -182,7 +173,7 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
\left[\sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} \right] |_{\Gamma_7^{-}}, \quad
|
|
|
\left[u_i {\bf (r)}\right]|_{\Gamma_7^{+}} = \left[u_i
|
|
|
{\bf(r)}\right]|_{\Gamma_7^{-}}
|
|
|
- \label{eq:b_cond_ideal}
|
|
|
+ \label{eq:c2:b_cond_ideal}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
\noindent на границах раздела фаз $\Gamma_7$ (рис.~\ref{fig:c2:b_cond}).
|
|
|
@@ -200,7 +191,7 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
|
|
|
\begin{equation}
|
|
|
\sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} |_{\Gamma_8} = 0.
|
|
|
- \label{eq:b_cond_free}
|
|
|
+ \label{eq:c2:b_cond_free}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
а ее точки не имеют ограничений на перемещения. В случае насыщения внутренней
|
|
|
@@ -226,18 +217,18 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
\left[\sigma_{n\tau} {\bf (r)} n_{n} \right] |_{\Gamma_9^{-}}, \quad
|
|
|
\left[u_n {\bf (r)}\right]|_{\Gamma_9^{+}} =
|
|
|
\left[u_n {\bf (r)}\right]|_{\Gamma_9^{-}} ,
|
|
|
-\label{eq:b_cond_Colomb_1}
|
|
|
+\label{eq:c2:b_cond_Colomb_1}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
\noindent а, если $\left[\sigma_{n\tau} {\bf (r)} \right]|_{\Gamma_9^{+}} \geq
|
|
|
\left[ {f | \sigma_{nn} {\bf (r)} |} \right]|_{\Gamma_9^{-}}$, то
|
|
|
|
|
|
\begin{equation}
|
|
|
-\left[\sigma_{n\tau} {\bf (r)} \right] |_{\Gamma_9^{+}} \geq
|
|
|
+\left[\sigma_{n\tau} {\bf (r)} \right] |_{\Gamma_9^{+}} =
|
|
|
\left[f|\sigma_{nn} {\bf (r)}| \right] |_{\Gamma_9^{-}},\quad
|
|
|
\left[u_n {\bf (r)}\right]|_{\Gamma_9^{+}} =
|
|
|
\left[u_n {\bf (r)}\right]|_{\Gamma_9^{-}},
|
|
|
-\label{eq:b_cond_Colomb_2}
|
|
|
+\label{eq:c2:b_cond_Colomb_2}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
\noindent где $f$ --- статический коэффициент трения, а индексы $n$ и $\tau$
|
|
|
@@ -249,18 +240,13 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
кривизной волокон остаются герметичные полости, незаполненные материалом
|
|
|
матрицы. На поверхностях этих пор отсутствуют ограничения на перемещения, а
|
|
|
сама поверхность свободна от напряжений. Граничные условия на этих поверхностях
|
|
|
-аналогичны граничным условиям \ref{eq:b_cond_free}.
|
|
|
-
|
|
|
-\section{Тестирование твердотельной модели тканого композита}
|
|
|
-
|
|
|
-\subsection{Численное решение краевой задачи упругости методом конечных
|
|
|
-элементов}
|
|
|
+аналогичны граничным условиям (\ref{eq:c2:b_cond_free}).
|
|
|
|
|
|
-Краевая задача \eqref{eq:Eqvilibrium} -- \eqref{eq:Guck} с граничными условиями
|
|
|
-\eqref{eq:b_cond} -- \eqref{eq:b_cond_free} решается численно методом конечных
|
|
|
-элементов, который является одним из наиболее эффективных методов решения задач
|
|
|
-механики деформируемого твердого тела и расчета конструкций из тканых
|
|
|
-композитов.
|
|
|
+Краевая задача \eqref{eq:c2:Eqvilibrium} -- \eqref{eq:c2:Guck} с граничными
|
|
|
+условиями \eqref{eq:c2:b_cond} -- \eqref{eq:c2:b_cond_free} решается численно
|
|
|
+методом конечных элементов, который является одним из наиболее эффективных
|
|
|
+методов решения задач механики деформируемого твердого тела и расчета
|
|
|
+конструкций из тканых композитов.
|
|
|
|
|
|
Решать задачу будем с помощью некоммерческого пакета Code-Aster, входящего в
|
|
|
состав платформы SALOME-MECA. Этот пакет был разработан и сертифицирован
|
|
|
@@ -269,45 +255,50 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
выполнения расчетов для строительных конструкций и сооружений
|
|
|
\cite{bib:code-aster:common, bib:code-aster:presentation}.
|
|
|
|
|
|
+% TODO: дорисовать узлы
|
|
|
\begin{figure}[ht!]
|
|
|
\centering
|
|
|
\includegraphics[width=8cm]{elements}
|
|
|
\caption{Пример конечных элементов: а) тетраэдральный, б) гексаэдральный}
|
|
|
- \label{fig:elements}
|
|
|
+ \label{fig:c2:elements}
|
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
|
|
+% TODO: найти правильные названия конечных элементов (Зинкевич)
|
|
|
Дискретизация матрицы проводилась на 14-узловые тетраэдральные элементы
|
|
|
-(рис.~\ref{fig:elements}~а), волокно разбивалось на 20-узловые гексаэдральные
|
|
|
-элементы (рис.~\ref{fig:elements}~б).
|
|
|
+(рис.~\ref{fig:c2:elements}~а), волокно разбивалось на 20-узловые гексаэдральные
|
|
|
+элементы (рис.~\ref{fig:c2:elements}~б).
|
|
|
|
|
|
-На рис.~\ref{fig:mesh:matrix} представлена конечно-элементная сетка фрагмента
|
|
|
+На рис.~\ref{fig:c2:mesh:matrix} представлена конечно-элементная сетка фрагмента
|
|
|
матрицы слоя модельного тканого композита полотняного переплетения.
|
|
|
-Конечно-элементная сетка волокон представлена на рис.~\ref{fig:mesh:fibers}.
|
|
|
+Конечно-элементная сетка волокон представлена на рис.~\ref{fig:c2:mesh:fibers}.
|
|
|
|
|
|
\begin{figure}[ht!]
|
|
|
\centering
|
|
|
\includegraphics[width=15cm]{mesh/v2/matrix}
|
|
|
\caption{Пример дискретизации матрицы}
|
|
|
- \label{fig:mesh:matrix}
|
|
|
+ \label{fig:c2:mesh:matrix}
|
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
|
|
\begin{figure}[ht!]
|
|
|
\centering
|
|
|
\includegraphics[width=17cm]{mesh/v1/fibers}
|
|
|
\caption{Пример дискретизации волокон}
|
|
|
- \label{fig:mesh:fibers}
|
|
|
+ \label{fig:c2:mesh:fibers}
|
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
|
|
-Для сопряжения конечно-элементных сеток армирующего каркаса и матрицы на этапе
|
|
|
-дискретизации выделялись <<главная>> и <<подчиненная>> поверхности. На этапе
|
|
|
-расчета узловые точки <<подчиненной>> поверхности (например, принадлежащие
|
|
|
-матрице) проецировались на те ближайшие конечные элементы, грани которых
|
|
|
-расположены на <<главной>> поверхности, и считались принадлежащими этим
|
|
|
-элементам. Перемещения точек <<подчиненной>> поверхности заменялись перемещениями
|
|
|
-их проекций на элемент <<главной>> поверхности \cite{bib:code-aster:contact}.
|
|
|
-
|
|
|
-Модуль Юнга $E_f = 280$~ГПа и коэффициент Пуассона $\nu_f = 0{,}20$
|
|
|
-волокон соответствовали данным работы \cite{bib:tarnapolsky}.
|
|
|
+Решение контактных задач производилось стандартными средствами пакета
|
|
|
+Code-Aster. Для сопряжения конечно-элементных сеток армирующего каркаса и
|
|
|
+матрицы на этапе дискретизации выделялись <<главная>> и <<подчиненная>>
|
|
|
+поверхности. На этапе расчета узловые точки <<подчиненной>> поверхности
|
|
|
+(например, принадлежащие матрице) проецировались на те ближайшие конечные
|
|
|
+элементы, грани которых расположены на <<главной>> поверхности, и считались
|
|
|
+принадлежащими этим элементам. Перемещения точек <<подчиненной>> поверхности
|
|
|
+заменялись перемещениями их проекций на элемент <<главной>> поверхности
|
|
|
+\cite{bib:code-aster:contact}.
|
|
|
+
|
|
|
+Для тестирования твердотельной модели и получения численного решения были
|
|
|
+выбраны модуль Юнга $E_f = 280$~ГПа и коэффициент Пуассона $\nu_f = 0{,}20$
|
|
|
+волокон, что соответствовало данным работы \cite{bib:tarnapolsky}.
|
|
|
Упругие модули поликристаллической матрицы были выбраны следующими: $E_m
|
|
|
= 0{,}28$~ГПа и коэффициент Пуассона $\nu_m = 0,40$. В случае когда между волокнами
|
|
|
присутствует контакт с трением, необходимо задать статический коэффициент трения
|
|
|
@@ -320,7 +311,13 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
использованием одного потока показано в таблице~\ref{tab:c2:multiprocessing}.
|
|
|
|
|
|
\begin{table}[ht!]
|
|
|
- \caption{Зависимость времени рассчетов от числа вычислительных процессов}
|
|
|
+ \begin{minipage}{\linewidth}
|
|
|
+ \renewcommand\thempfootnote{\arabic{mpfootnote}}
|
|
|
+ \caption[Зависимость относительного времени
|
|
|
+вычислений от числа процессов]{Зависимость относительного
|
|
|
+\footnote{нормировка была проведена
|
|
|
+относительно времени вычислений с использованием одного процесса} времени
|
|
|
+вычислений от числа процессов}
|
|
|
\begin{tabular}{|p{10cm}||
|
|
|
>{\centering\arraybackslash}p{3cm}|
|
|
|
>{\centering\arraybackslash}p{3cm}| }
|
|
|
@@ -336,18 +333,18 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
\hline
|
|
|
\end{tabular}
|
|
|
\label{tab:c2:multiprocessing}
|
|
|
+ \end{minipage}
|
|
|
\end{table}
|
|
|
|
|
|
+% TODO: Дописать параметры машины, на которой получены результаты
|
|
|
+
|
|
|
Как видно из таблицы, увеличение количества вычислительных процессов для
|
|
|
данной задачи не приводит к существенному снижению времени вычислений. Это
|
|
|
связано с тем, что большая часть времени приходится на операции ввода-вывода и
|
|
|
зависит от скорости жестких дисков и количества оперативной памяти рабочей
|
|
|
станции, на которой производится расчет.
|
|
|
|
|
|
-\subsection{Условия сходимости краевой задачи для слоя тканого композита с
|
|
|
-искривленными волокнами}
|
|
|
-
|
|
|
-Для проверки корректности построения математической модели решалась задача по
|
|
|
+Для тестирования построенной математической модели решалась задача по
|
|
|
определению напряженно-деформированного состояния при двухосном
|
|
|
равнокомпонентном деформировании слоя тканого композита с искривленными
|
|
|
волокнами для сеток с разным количеством конечных элементов и проводилось
|
|
|
@@ -358,13 +355,13 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
возникающая в следствие дефекта доуплотняется материалом связующего или
|
|
|
остается незаполненной.
|
|
|
|
|
|
-Зависимость интенсивностей напряжений в точке, находящейся в центре слоя
|
|
|
-тканного композита от количества конечных элементов показана в таблице
|
|
|
-\ref{tab:convergence}.
|
|
|
+Зависимость максимальных значений интенсивности напряжений в точке, находящейся
|
|
|
+в центре слоя тканного композита от количества конечных элементов показана в
|
|
|
+таблице \ref{tab:c2:convergence}.
|
|
|
|
|
|
\begin{table}[ht!]
|
|
|
- \caption{Зависимость интенсивностей напряжений от количества конечных
|
|
|
-элементов}
|
|
|
+ \caption{Зависимость максимальных значений интенсивности напряжений
|
|
|
+($\sigma_i$) от количества конечных элементов ($N$)}
|
|
|
|
|
|
\begin{tabular}{|c|c||c|c||c|c|}
|
|
|
\hline
|
|
|
@@ -373,7 +370,7 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
\multicolumn{2}{|p{5cm}|}{Туннельная пора, доуплотненная материалом
|
|
|
связующего} \\
|
|
|
\hline
|
|
|
- $C$ & $\sigma_{I}$ & $C$ & $\sigma_{I}$ & $C$ & $\sigma_{I}$ \\
|
|
|
+ $N$ & $\sigma_{i}$ & $N$ & $\sigma_{i}$ & $N$ & $\sigma_{i}$ \\
|
|
|
\hline
|
|
|
\hline
|
|
|
218 207 & 33.6 & 213 381 & 38.0 & 194 196 & 37.9 \\
|
|
|
@@ -385,35 +382,33 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
427 855 & 31.2 & 402 304 & 35.4 & 382 954 & 35.3 \\
|
|
|
\hline
|
|
|
\end{tabular}
|
|
|
- \label{tab:convergence}
|
|
|
+ \label{tab:c2:convergence}
|
|
|
\end{table}
|
|
|
|
|
|
-Из таблицы видно, что расхождение между интенсивностями напряжений в двух
|
|
|
-последних вычислительных экспериментах не превышает $1\%$, что может
|
|
|
-свидетельствовать о достаточной степени дискретизации модели.
|
|
|
+Как видим, различие между интенсивностями напряжений в двух последних
|
|
|
+вычислительных экспериментах не превышает $1\%$, что может свидетельствовать о
|
|
|
+достаточной степени дискретизации модели.
|
|
|
|
|
|
Распределения интенсивностей напряжений в слое тканого композита с идеальной
|
|
|
периодической структурой, полученные в ходе решения задачи показаны на
|
|
|
-рис.~\ref{fig:vmis_v1_s1}.
|
|
|
+рис.~\ref{fig:c2:vmis_v1_s1}. Распределение искомых полей в рассматриваемом
|
|
|
+случае удовлетворяют условиям симметрии и периодичности геометрической модели и
|
|
|
+приложенной внешней нагрузке, что говорит о корректно построенной
|
|
|
+геометрической модели и корректности полученного численного решения.
|
|
|
+Максимальных значений интенсивность напряжений достигает в местах наибольшей
|
|
|
+кривизны волокон.
|
|
|
|
|
|
\begin{figure}[ht]
|
|
|
\includegraphics[width=15cm]{vmis_v1_s1}
|
|
|
\caption{Поля интенсивности напряжений в слое тканого композита с идеальной
|
|
|
периодической структурой}
|
|
|
- \label{fig:vmis_v1_s1}
|
|
|
+ \label{fig:c2:vmis_v1_s1}
|
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
|
|
-Из рисунка видно, что распределение искомых полей в рассматриваемом случае
|
|
|
-удовлетворяют условиям симметрии и периодичности геометрической модели и
|
|
|
-приложенной внешней нагрузке, что говорит о корректно построенной
|
|
|
-геометрической модели и корректности полученного численного решения.
|
|
|
-Максимальных значений интенсивность напряжений достигает в местах наибольшей
|
|
|
-кривизны волокон.
|
|
|
-
|
|
|
Параметры конечно-элементной сетки, удовлетворяющие условиям неизменности
|
|
|
качественных и количественных характеристик для моделей с различными видами
|
|
|
дефектов, а также для модели с идеальной периодической структурой представлены
|
|
|
-в таблице~\ref{tab:discr}.
|
|
|
+в таблице~\ref{tab:c2:discr}.
|
|
|
|
|
|
\begin{table}[ht!]
|
|
|
\caption{Параметры конечно-элементной сетки при наличии гарантированной прослойки матрицы между
|
|
|
@@ -440,16 +435,17 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
Внутренняя технологическая пора & 287~934 & 77~760 \\
|
|
|
\hline
|
|
|
\end{tabular}
|
|
|
- \label{tab:discr}
|
|
|
+ \label{tab:c2:discr}
|
|
|
\end{table}
|
|
|
|
|
|
-При наличии между волокнами основы и утка площадки контакта с трением необходимо дополнительное
|
|
|
-сгущение сетки матрицы в местах, находящихся вблизи участков наибольшей кривизны волокон. Параметры
|
|
|
-конечно-элементной сетки для такого случая представлены в таблице
|
|
|
-\ref{tab:discr:contact}.
|
|
|
+При наличии между волокнами основы и утка площадки контакта с трением необходимо
|
|
|
+дополнительное сгущение сетки матрицы в местах, находящихся вблизи участков
|
|
|
+наибольшей кривизны волокон. Параметры конечно-элементной сетки для такого
|
|
|
+случая представлены в таблице \ref{tab:c2:discr:contact}.
|
|
|
|
|
|
\begin{table}[ht]
|
|
|
- \caption{Параметры конечно-элементной сетки при наличии контакта с трением между волокнами основы и утка}
|
|
|
+ \caption{Параметры конечно-элементной сетки при наличии контакта с трением
|
|
|
+между волокнами основы и утка}
|
|
|
\begin{tabular}{|p{8.25cm}||>{\centering}p{3.45cm}|p{3.45cm}<{\centering}|}
|
|
|
\hline
|
|
|
& Тетраэдральные элементы & Гексаэдральные элементы \\
|
|
|
@@ -466,60 +462,58 @@ C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
Разрыв волокон основы и утка с доуплотнением & 390~862 & 72~576 \\
|
|
|
\hline
|
|
|
\end{tabular}
|
|
|
- \label{tab:discr:contact}
|
|
|
+ \label{tab:c2:discr:contact}
|
|
|
\end{table}
|
|
|
|
|
|
-\section{Разработка модуля расширений платформы моделирования для расчета коэффициентов
|
|
|
-концентрации напряжений}
|
|
|
-
|
|
|
-\subsection{Объектная модель модуля расширений платформы для рассчета коэффициентов концентрации
|
|
|
-напряжений в слое тканого композита с искривленными волокнами}
|
|
|
-\label{c2:classDiagramm}
|
|
|
+\pagebreak
|
|
|
+\section{Модуль расширений платформы моделирования SALOME-MECA для анализа
|
|
|
+напряженного состояния слоя тканого композита}
|
|
|
|
|
|
-Безразмерные коэффициенты $K_{\sigma_{ij}} = \sigma_{ij}({\bf r}) /
|
|
|
-\sigma_{ij}^{per}({\bf r})$ вычислялись как отношение компонент тензора
|
|
|
-напряжений в слое модельного тканого композита с локальным дефектом к
|
|
|
-соответствующим компонентам в слое материала идеальной периодической структуры.
|
|
|
+Для анализа напряженного состояния слоя тканого композита необходимо
|
|
|
+обрабатывать большой объем информации. Данная операция не предусматривается в
|
|
|
+стандарном инструментарии платформы SALOME-MECA. Открытая арихтектура платформы
|
|
|
+позовляет разработать модуль расширений для необходимого анализа.
|
|
|
|
|
|
-Для расчета коэффициентов концентрации в каждой точке конечно-элементой сетки
|
|
|
-был написан модуль расширения платформы SALOME-MECA. В качестве языка для написания
|
|
|
-модуля расширений был выбран объектно-ориентированный язык программирования Python 2.7,
|
|
|
-который предоставляет структуры данных высокого уровня, имеет изящный синтаксис и
|
|
|
-использует динамический контроль типов, что делает его идеальным языком для быстрого
|
|
|
-написания различных приложений, работающих на большинстве распространенных платформ
|
|
|
-\cite{bib:rossum}.
|
|
|
+Пусть $\Theta$ --- анализируемый параметр поля напряжений, определенный в
|
|
|
+некоторой точке тела из численного решения краевой задачи методом конечных
|
|
|
+элементов. В качестве языка для написания модуля расширений был выбран
|
|
|
+объектно-ориентированный язык программирования Python 2.7, который
|
|
|
+предоставляет структуры данных высокого уровня, имеет изящный синтаксис и
|
|
|
+использует динамический контроль типов, что делает его идеальным языком для
|
|
|
+быстрого написания различных приложений, работающих на большинстве
|
|
|
+распространенных платформ \cite{bib:rossum}.
|
|
|
|
|
|
-Диаграмма классов модуля расширения платформы SALOME-MECA для рассчета коэффициентов
|
|
|
-концентрации напряжений показана на рис.~\ref{fig:c2:classDiagramm}.
|
|
|
+Диаграмма классов модуля расширения платформы SALOME-MECA для рассчета
|
|
|
+параметра $\Theta$ показана на рис.~\ref{fig:c2:classDiagramm}.
|
|
|
|
|
|
\begin{figure}[ht!]
|
|
|
\centering
|
|
|
\includegraphics[width=\linewidth]{classDiagramm}
|
|
|
- \caption{Диаграмма классов модуля расширений для вычисления коэффициентов концентрации напряжений}
|
|
|
+ \caption{Диаграмма классов модуля расширений для вычисления параметра $\Theta$}
|
|
|
\label{fig:c2:classDiagramm}
|
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
|
|
Модуль расширения реализуется одним основным и тремя вспомогательными классами:
|
|
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
|
- \item \verb TKCalculator --- основной класс для вычисления коэффициентов
|
|
|
-концентрации напряжений в
|
|
|
+ \item \verb TKCalculator --- основной класс для вычисления параметра $\Theta$
|
|
|
+в
|
|
|
каждой точке конечно-элементной сетки;
|
|
|
\item \verb TPoint --- вспомогательный класс для описания точки в трехмерном
|
|
|
пространстве;
|
|
|
\item \verb TKValues --- вспомогательный класс для описания множества
|
|
|
-значений коэффициентов концентрации
|
|
|
- напряжений в каждой точке конечно-элементной сетки;
|
|
|
+значений параметра $\Theta$ в каждой точке конечно-элементной сетки;
|
|
|
\item \verb TObjective --- вспомогательный класс для описания параметров
|
|
|
-задачи, при которых необходимо
|
|
|
- найти значения коэффициентов концентрации напряжений.
|
|
|
+задачи, при которых необходимо найти значения параметра $\Theta$.
|
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
|
|
-В классе TKCalculator реализован метод для импорта данных из выходных файлов конечно-элементного процессора
|
|
|
-Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA (fillFromFile), метод для получения коэффициентов концентрации
|
|
|
-напряжений в произвольной точки конечно-элементной сетки по указанным координатам (getKForPoint), а также метод для вывода
|
|
|
-коэффициентов концентрации напряжений для каждой точки конечно-элементной сетки в файл (saveKToFile), для последующего
|
|
|
-анализа или графического отображения.
|
|
|
+В классе TKCalculator реализован метод для импорта данных из выходных файлов
|
|
|
+конечно-элементного процессора Code-Aster, входящего в состав платформы
|
|
|
+SALOME-MECA (fillFromFile), метод для получения значений параметра $\Theta$ в
|
|
|
+произвольной точки конечно-элементной сетки по указанным координатам
|
|
|
+(getKForPoint), а также метод для вывода значений параметра $\Theta$
|
|
|
+для каждой точки конечно-элементной сетки в файл (saveKToFile), для
|
|
|
+последующего анализа или графического отображения.
|
|
|
|
|
|
Для исключения ошибок использования классов используется 4 перечисления:
|
|
|
|
|
|
@@ -538,23 +532,29 @@ Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA (f
|
|
|
|
|
|
\item \verb ESchema --- схема нагружения, может принимать значения:
|
|
|
\begin{description}
|
|
|
- \item [X1X3\_Tension]: двухсторонняя равнокомпонентная деформация растяжения в плоскости слоя;
|
|
|
+ \item [X1X3\_Tension]: двухсторонняя равнокомпонентная деформация растяжения в
|
|
|
+ плоскости слоя;
|
|
|
\item [X1\_Tension]: деформация растяжения в направлении волокон основы;
|
|
|
\item [X1\_Tension\_X3\_Compression]: чистое формоизменение;
|
|
|
- \item [X1X3\_Compression]: двухсторонняя равнокомпонентная деформация сжатия в плоскости слоя;
|
|
|
+ \item [X1X3\_Compression]: двухсторонняя равнокомпонентная деформация сжатия в
|
|
|
+ плоскости слоя;
|
|
|
\item [X1\_Compression]: деформация сжатия в направлении волокон основы;
|
|
|
- \item [X1X3\_Unequal\_Compression]: двухсторонняя неравнокомпонентная деформация сжатия в плоскости слоя.
|
|
|
+ \item [X1X3\_Unequal\_Compression]: двухсторонняя неравнокомпонентная
|
|
|
+ деформация сжатия в плоскости слоя.
|
|
|
\end{description}
|
|
|
|
|
|
\item \verb EDefect --- дефект, может принимать значения:
|
|
|
\begin{description}
|
|
|
\item [Regular]: идеальная периодическая структура;
|
|
|
\item [Fiber\_Skip]: пропуск волокна основы;
|
|
|
- \item [Fiber\_Skip\_Matrix]: пропуск волокна основы с учетом доуплотнения полости образованной дефектом материалом матрицы;
|
|
|
+ \item [Fiber\_Skip\_Matrix]: пропуск волокна основы с учетом доуплотнения
|
|
|
+ полости образованной дефектом материалом матрицы;
|
|
|
\item [One\_Fiber\_Break]: разрыв волокна основы;
|
|
|
- \item [One\_Fiber\_Break\_Matrix]: разрыв волокна основы с учетом доуплотнения полости образованной дефектом материалом матрицы;
|
|
|
+ \item [One\_Fiber\_Break\_Matrix]: разрыв волокна основы с учетом
|
|
|
+доуплотнения полости образованной дефектом материалом матрицы;
|
|
|
\item [Two\_Fibers\_Break]: разрыв волокон основы и утка;
|
|
|
- \item [Two\_Fibers\_Break\_Matrix]: разрыв волокон основы и утка с учетом доуплотнения полости образованной дефектом материалом матрицы;
|
|
|
+ \item [Two\_Fibers\_Break\_Matrix]: разрыв волокон основы и утка с учетом
|
|
|
+ доуплотнения полости образованной дефектом материалом матрицы;
|
|
|
\item [Pore]: внутренняя технологическая пора.
|
|
|
\end{description}
|
|
|
|
|
|
@@ -565,19 +565,15 @@ Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA (f
|
|
|
\end{description}
|
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
|
|
-
|
|
|
-\subsection{Схема базы данных для определения коэффициентов концентрации напряжений в
|
|
|
-слое тканого композита с искривленными волокнами}
|
|
|
-
|
|
|
-Для систематизации данных, полученных в результате решения краевых задач, а также для увеличения
|
|
|
-скорости обработки большого объема данных была разработана база данных, инфологическая схема
|
|
|
-которой представлена на рис.~\ref{fig:c2:er}.
|
|
|
+Для систематизации данных, полученных в результате решения краевых задач, а
|
|
|
+также для увеличения скорости обработки большого объема данных была разработана
|
|
|
+база данных, инфологическая схема которой представлена на рис.~\ref{fig:c2:er}.
|
|
|
|
|
|
\immediate\write18{dot -Tpng -o fig/er.png er.dot}
|
|
|
\begin{figure}[ht!]
|
|
|
\centering
|
|
|
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{er}
|
|
|
- \caption{ER-диаграмма базы данных для вычисления коэффициентов концентрации напряжений}
|
|
|
+ \caption{ER-диаграмма базы данных для вычисления параметра $\Theta$}
|
|
|
\label{fig:c2:er}
|
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
|
|
@@ -586,20 +582,19 @@ Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA (f
|
|
|
составным ключом {\bf X$_1$, X$_2$, X$_3$} предназначена для хранения координат
|
|
|
точек конечно-элементной сетки. Стержневая сущность <<Свойства>> с составным
|
|
|
ключом {\bf Задача, Схема нагружения, Дефект, Фаза} предназначена для хранения
|
|
|
-информации о компонентах тензора напряжений и интесивности напряжений для каждой
|
|
|
+информации о компонентах тензора напряжений и интесивности напряжений для
|
|
|
+каждой
|
|
|
точки конечно-элементной сетки. Значения атрибутов составного ключа сущности
|
|
|
<<Свойства>> соответсвуют значениям классов-перечислений
|
|
|
-\verb EProblem , \verb ESchema , \verb EDefect и \verb EPhase , описаных в
|
|
|
-разделе~\ref{c2:classDiagramm}.
|
|
|
+\verb EProblem , \verb ESchema , \verb EDefect и \verb EPhase .
|
|
|
|
|
|
-Даталогическая модель базы данных для вычисления коэффициентов концентрации
|
|
|
-напряжений представлена на рис.~\ref{fig:c2:datalogical}.
|
|
|
+Даталогическая модель базы данных для вычисления параметра $\Theta$
|
|
|
+представлена на рис.~\ref{fig:c2:datalogical}.
|
|
|
|
|
|
\begin{figure}[ht!]
|
|
|
\centering
|
|
|
\includegraphics[width=0.5\linewidth]{datalogical}
|
|
|
- \caption{Даталогическая модель базы данных для вычисления коэффициентов
|
|
|
-концентрации напряжений}
|
|
|
+ \caption{Даталогическая модель базы данных для вычисления параметра $\Theta$}
|
|
|
\label{fig:c2:datalogical}
|
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
|
|
@@ -619,27 +614,26 @@ Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA (f
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
Проецируя отношение $P$ на соответствующие атрибуты, найдем значения
|
|
|
-коэффициентов концентрации напряжений для каждой точки конечно-элементной сетки
|
|
|
+параметра $\Theta$ для каждой точки конечно-элементной сетки
|
|
|
(\ref{eq:c2:relK}):
|
|
|
|
|
|
\begin{equation}
|
|
|
\begin{array}{rl}
|
|
|
- K = & P[X1, X2, X3, \\
|
|
|
- & P_2.sigma\_11/P_1.sigma\_11, P_2.sigma\_22/P_1.sigma\_22, \\
|
|
|
- & P_2.sigma\_33/P_1.sigma\_33, P_2.sigma\_12/P_1.sigma\_12, \\
|
|
|
- & P_2.sigma\_13/P_1.sigma\_13, P_2.sigma\_23/P_1.sigma\_13, \\
|
|
|
- & P_2.sigma\_I/P_1.sigma\_I].
|
|
|
+ \Theta = & P[X1, X2, X3, \\
|
|
|
+ & P_2.sigma\_11 \tau P_1.sigma\_11, P_2.sigma\_22 \tau P_1.sigma\_22, \\
|
|
|
+ & P_2.sigma\_33 \tau P_1.sigma\_33, P_2.sigma\_12 \tau P_1.sigma\_12, \\
|
|
|
+ & P_2.sigma\_13 \tau P_1.sigma\_13, P_2.sigma\_23 \tau P_1.sigma\_13, \\
|
|
|
+ & P_2.sigma\_I \tau P_1.sigma\_I].
|
|
|
\end{array}
|
|
|
\label{eq:c2:relK}
|
|
|
\end{equation}
|
|
|
|
|
|
-С помощью ограничения отношения $K$ по атрибутам \verb problemId , \\
|
|
|
+С помощью ограничения отношения $\Theta$ по атрибутам \verb problemId , \\
|
|
|
\verb schemaId , \verb defectId и \verb phaseId можно получить значения
|
|
|
-коэффициентов концентрации в каждой точке конечно-элементной сетки для
|
|
|
-необходимого вида задачи, схемы нагружения, типа дефекта или фазы материала. При
|
|
|
-ограничении отношения $K$ по атрибутам \verb X1 , \verb X2 и \verb X3 получим
|
|
|
-значения коэффициентов концентрации в необходимой точке конечно-элементной
|
|
|
-сетки.
|
|
|
+параметра $\Theta$ в каждой точке конечно-элементной сетки для необходимого
|
|
|
+вида задачи, схемы нагружения, типа дефекта или фазы материала. При ограничении
|
|
|
+отношения $\Theta$ по атрибутам \verb X1 , \verb X2 и \verb X3 получим
|
|
|
+значения параметра $\Theta$ в необходимой точке конечно-элементной сетки.
|
|
|
|
|
|
В качестве системы управления базой данных для реализации физической модели
|
|
|
была выбрана встраиваемая СУБД SQLite 2.8.17. Выбор данной СУБД был обусловлен
|
|
|
@@ -651,8 +645,8 @@ Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA (f
|
|
|
\addcontentsline{toc}{section}{Выводы ко второй главе}
|
|
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
|
- \item Построена геометрическая модель фрагмента слоя тканого композита с
|
|
|
-искривленными волокнами и поликристаллической матрицей с идеальной
|
|
|
+ \item Построены геометрическая и математическа модели фрагмента слоя тканого
|
|
|
+композита с искривленными волокнами и поликристаллической матрицей с идеальной
|
|
|
периодической структурой и локальными технологическими дефектами, такими как
|
|
|
пропуск волокна основы, разрыв волокна основы, разрыв волокон основы и утка и
|
|
|
внутренняя технологическая пора.
|
|
|
@@ -662,6 +656,6 @@ Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA (f
|
|
|
\item Приведены параметры конечно-элементной сетки, удовлетворяющие условиям
|
|
|
условиям сходимости задачи.
|
|
|
\item Приведены диаграмма классов и инфологическая модель разработанной базы
|
|
|
-данных для расчета коэффициентов концентрации в слое тканого композита,
|
|
|
-вызванных наличием локальных технологических дефектов.
|
|
|
+данных для расчета безразмерного параметра $\Theta$ описывающее исследуемое
|
|
|
+свойство слоя тканого композита.
|
|
|
\end{enumerate}
|