Autodesk Helius PFA 複合材料の破壊解析

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Autodesk Helius PFA 複合材料の破壊解析



 

Autodesk Helius PFA は、高精度かつ効率的なマルチスケール手法により、複合材料部品の強度評価の精度および効率の向上を実現する、解析ソフトウェアです。

近年、自動車や航空機などの分野では、環境問題に対応するために、軽量化の要求が非常に強くなっています。
そのため、これらの分野では、従来材料よりも少ない重量で強度を確保することができる複合材料の使用量が飛躍的に増加しています。例えば、ある航空機メーカーの最新のジェット旅客機で使用された複合材料は、全部材の50%に達しています。
しかし、金属材料などに比較して非常に複雑な特性を持つ複合材料では、これまでは高精度なシミュレーションの実施が困難でした。

Autodesk Helius PFA は、市販の非線形有限要素プログラムにアドオンして使用するため、ご利用のFEA環境で、複合材料独特の材料非線形を考慮した、進行性破損、層間剥離、疲労寿命の予測を可能にします。
また、Autodesk Moldflowで予測された繊維配向を構造解析モデルにマッピングし、繊維強化プラスチック成形品の高精度な強度評価を可能にします。
Autodesk Helius PFAは、開発の早い段階で複合材料部品の破損挙動のシミュレーションによる設計最適化を支援し、設計の手戻りや強度試験に費やされる時間とコストの削減に貢献します。

        
          損傷パターンのシュミレーション              破断試験との比較






 
 

精度の向上

一般的なシミュレーションでは、複合材料を均質な材料として扱います。
それに対し、 Autodesk Helius PFA は、多重連続体理論に基づいて、複合材料の全ての構成要素の応力とひずみを計算します。その結果、繊維および母材レベルで、より高精度な損傷の開始と伝播の予測が可能になります。

 

効率の向上

Autodesk Helius PFA には、複合材料のために定式化された、収束性を向上させる機能が搭載されています。これらの強力な機能は、FEA プログラムと連携して、ソリューションのプロセスを改善し、計算時間の大幅な短縮を可能にします。

 

容易な導入

Autodesk Helius PFA は、ユーザーサイトにすでに導入されているFEAプログラムにシームレスに統合できます。ユーザーは、使い慣れた利用環境でAutodesk Helius PFAの高度な複合材シミュレーションを実行することができ、既存のFEAモデルの活用も容易です。

 

Autodesk Moldflowとの連携

Autodesk Helius PFA を用いてAutodesk Moldflowで予測された繊維強化プラスチックの繊維配向などをFEAモデルにマッピングし、FEAプログラムで繊維配向異方性を考慮した強度評価を行うことができます。
樹脂流動解析結果の残留歪とウェルドラインのマッピングも可能です。


   ピンに荷重がかかったブラケットの母材破損          繊維配向を考慮したフェンダーの構造解析



 
 

複数の材料のサポート


Autodesk Helius PFA は、一方向材料の他にも、平織物や 4および5、8 枚朱子織物の複合材料に対応しています。代表的な一方向材料と織物材料の特性も搭載しています。
さらに、Autodesk Moldflowとの連携により、繊維強化樹脂にも対応します。


 
                       サポートする複合材料タイプ

 
 

マルチスケール解析

 
Autodesk Helius PFA はマルチスケール解析手法を採用し、繊維および母材レベルの破損の開始と影響を予測し、複数の損傷モードを識別し、その結果として生じる複合材料の応答を予測することができます。アドオンで利用する非線形有限要素解析プログラムを用い、部品の応答および破損の開始と伝播を予測します。


                       繊維/母材レベルでの予測


 

疲労解析

 
複合材料には多くの利点があり、その1つは疲労に対する耐性です。 Autodesk Helius PFAは従来のFEAプログラムと連携して、複合材料構造の疲労挙動のシミュレーションを実行し、複数のサイクルが適用された後の構造の破損状況と最終的な疲労寿命を予測することを可能にします。
 


                     穴あき試験片の疲労寿命の予測

 

層間剥離

 
層間剥離が起こると層と層の間が分離して、層間の荷重伝達が止まるため、構造の破損モードに大きな影響を及ぼします。
Autodesk Helius PFAの層間剥離のシミュレーションは、層内および層間の破損を同時に予測可能であり、荷重伝達経路の確認とその修正のための最適な選択を支援します。
 


                     穴あき試験片の面内および層間剥離

 
 

メッシュ感度の緩和

 
エネルギーベースの材料劣化進展モデルにより、複合材料構造の材料劣化の速度を制御することができます。エネルギーベースの材料劣化進展モデルは、メッシュ依存をほとんど除去するために剛性の軟化速度を調整し、モデル全体の最終的な破損の予測を可能にします。
 


                    メッシュサイズによる破断予測の比較

 
 

要素の削除

 
Autodesk Helius PFAは、Abaqus StandardおよびExplicit との併用の解析で、様々な破損モードのシミュレーションの中で要素を削除することができます。実際の現象に近いリアルなシミュレーションを実行することにより、収束性と精度の高い解析を、効率良く行うことができます。 


                          破損による要素の削除

 
 

Autodesk Moldflow Insightの解析結果のマッピング

 
繊維配向を考慮した構造解析により、射出成形品の非線形性と破損を、設計サイクルの早い段階で予測することが可能になります。
Advanced Material Exchangeは、Autodesk Moldflow Insightを用いた解析で予測された繊維配向、残留歪みおよびウェルドラインをAbaqusまたはANSYSの構造解析モデルをマッピングし、より高精度な射出成形品のシミュレーションの実行を可能にします。ウェルドラインのマッピングでは、Autodesk Moldflowで予測された流動の会合角と温度履歴から強度低減係数を計算することも可能です。
また、塑性変形による材料の非線形性や母材破損のシミュレーションの実行も可能です。
 


                        繊維配向のマッピング
                   ( 左: Moldflowモデル 右: 構造解析モデル )

 
 
 

Autodesk Helius PFA 2017 動作環境

オペレーティングシステム
  • Windows 7 (64 ビット版) Home Premium、Professional、Enterprise、Ultimate
  • Windows 8、8.1 (64 ビット版) Professional、Enterprise
  • Windows 10 (64 ビット版)
  • Red Hat Enterprise Linux (RHEL) 5、6 (64 ビット版)
最小動作環境
  • 64 ビット版プロセッサ
  • 3 GB のハード ディスク空き容量
  • Microsoft .NET Framework Version 2.0 (Windows プラットフォームのみ)
 
対応する構造解析プログラム
  • Abaqus 6.14-1、6.14-2、6.14-3、2016
  • ANSYS 16.0、16.1、16.2、17.0、17.1​
      (RHEL ではサポートされていません)
  • Autodesk Nastran 2017
      (Moldflowとの連携Advanced Material Exchangeはサポートされていません) 


 
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