• خدمات, بلاگ

طراحی و تحلیل مخازن تحت فشار کامپوزیتی به کمک CAE

طراحی و تحلیل مخزن تحت فشار کامپوزیت: امروزه طراحی مخازن تحت فشار کامپوزیتی بر اساس روش بار واحد طبق استاندارد صورت می‌گیرد.

روش قدیمی طراحی این تجهیزات بر اساس تنش مجاز بود که به سادگی با داشتن مقاومت نهایی کششی و تقسیم آن بر ضریب اطمینان, تنش مجاز طراحی بدست می آمد.

این روش با موفقیت در مخازن فلزی به کار گرفته شد و تلاش می‌شد که برای مخازن کامپوزیتی نیز بکار رود, پاسخ لازم گرفته شد, ولی در نظر گرفتن پارامترها و بهره گیری از تنوع ممکن در این سازه‌ها از طریق عملی ممکن نبود.

روش بار واحد بسیاری از نقاط ضعف روش‌های قدیمی را پوشانده و طراحی دقیق‌تری را با استفاده از فاکتورهای بسیاری که مواد کامپوزیتی در اختیار طراح قرار می دهند، به‌ انجام می‌رساند.

نرم افزارهای طراحی و تحلیل مخزن تحت فشار کامپوزیت

طراحی و تحلیل مخازن تحت فشار با نرم افزارهای شبیه سازی متنوعی قابل انجام است که در ادامه بهترین های آنها معرفی می شود.

نرم افزار تحلیل و طراحی PVElite

 بدون شک یکی از معروف‌ترین نرم افزارهای طراحی و تحلیل مخازن تحت فشار نرم افزار PVElite می‌باشد.

قابلیت‌های کلیدی این نرم افزار عبارتند از :

• تحلیل مخازن تحت فشار
• امکان بررسی و محاسبه ضخامت دیواره جهت اندازه گیری کمترین و بیشترین فشار
• قابلیت کنترل ضخامت دیواره مخازن
• محاسبه‌ انواع بارها و امکان ترکیب بارهای جانبی با فشار قابل تنظیم
• امکان اعمال فشار دلخواه برای محاسبه‌ مقاومت اجزا و اتصالات
• قابلیت کنترل، بررسی و محاسبه‌ ضخامت دیواره‌ مخازن جهت اندازه‌گیری میزان فشار
• قابلیت محاسبه بار مرده برای هر المان و…

جهت طراحی قسمت‌های تحت فشار (Pressure Parts) در مخازن تحت فشار معمولا از کد ASME و در مورد قسمت‌هایی که تحت فشار نیستند (NonPressure Parts) استانداردهای سازه‌ای مانند AISC ،AISI و … استفاده می‌شود.

قطعات داخلی (Internals) مانند سینی (Tray) در برج ها (Towers) و Pass Partition در مبدل‌های حرارتی (S&T Heat Exchanger) عموما NonPressure Parts محسوب می‌شوند.

قوانین کد ASME Sec.VIII Div.I جهت طراحی اجزای تحت فشار بر مبنای تئوری ماکزیمم تنش (Max Stress Theory) می‌باشد.

در این تئوری، شکست ماده فقط به مقدار تنش عمودی وابسته است و تنش در سایر جهات در نظر گرفته نمی‌شود. این تئوری، ایجاد شکست در متریال های نرم را پیش بینی می‌کند اما برای متریال‌های ترد همیشه بدرستی عمل نمی‌کند.

تماس مستقیم

طراحی و تحلیل مخزن تحت فشار کامپوزیت در  PVElite

بحث روز کاربرد کامپوزیت‌ ها در مخازن تحت فشار ، استفاده از پوشش Cabon/Epoxy در مخازن می‌باشد. نرم افزار PVElite قابلیت تحلیل مخازن تحت فشار کامپوزیتی را دارد که با Seismic Loads و از طریق Response Mode.Factor (R) تحلیل انواع مخازن کامپوزیت (FRP، GFRP، HDPE و مواد مشابه) را انجام می‌دهد.

طراحی و تحلیل مخزن تحت فشار کامپوزیت با WoundSIM

WoundSIM یک نرم افزار جدید است که برای طراحی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی مخازن تحت فشار کامپوزیتی (COPVs) را  توسعه داده شده است.

با اینکه صنایع خودروسازی و هوافضا عمده مشتریان آن هستند اما نیروی دریایی ایالات متحده، مراکز تحقیقاتی مختلف و بخش آموزش و ذخیره هیدروژن از آن به عنوان یک ابزار طراحی سریع و کارآمد مخازن مورد استفاده می کنند.

تیم توسعه دهنده این نرم افزار همان تیم توسعه پلاگین WCM در شرکت سیمولیا است و هم اکنون توسط Dassault Systèmes ، Simulia QustomApps و S Vertical توسعه، پشتیبانی و نگهداری می‌شود.

اولین نسخه بتا در سال 2019 منتشر شد و ویژگی های اضافی دیگری در سال 2022 گنجانده شد.

WoundSIM، یک رابط گرافیکی برای مشاهده آنی layup ترکیبی به عنوان جدول لایه های ترکیبی استفاده می شود. ضخامت لایه به طور خودکار به همراه زوایای مختلف محاسبه می‌شود. خواص مواد نیز در سراسر COPV محاسبه و اختصاص می‌یابد، و یک رابط نرم‌افزار تحلیل اجزا محدود (FEA) کاربران را قادر می‌سازد تا یک مدل اجزا محدود FEM آماده اجرا برای ارزیابی پاسخ‌های حرارتی و مکانیکی COPV تولید کنند.

از جمله ویژگی‌ها و توانایی‌های نرم افزار WounSIM می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

• قابلیت محاسبه بار مرده برای هر المان
• پارامترهای طراحی جامع که امکان تغییر سریع شکل لایه را فراهم می کنند
• یک رابط کاربری جامع و مستقل
• پاسخ سریع رابط کاربری گرافیکی
• رندر هوشمند layup برای انتخاب و شناسایی آسان لایه
• تولید سریع و کاملاً خودکار مدل FE مخزن و پس پردازش
• سازگاری کامل با Abaqus
• تبدیل خودکار مدل های Abaqus WCM
• سازگاری با Simulia Isight برای بهینه سازی پارامتریک پیشرفته
• API عمومی XML برای اطمینان از سازگاری با سایر نرم افزارها یا ابزارها و فرمول‌های داخلی user
• قابلیت های بهینه سازی پارامتریک مخزن برای کاهش وزن مخزن

پس از تعریف layup و visualize آن‌ها در رابط WoundSIM، کاربران می توانند هندسه مخزن و مدل های FEA مربوطه را برای انجام تمام شبیه سازی های مورد نیاز تولید کنند. مدل‌های تولید شده شامل هندسه لایه مخزن و تولید مش پیشرفته مخزن است.

خواص مواد تبدیل شده، مونتاژ خودکار با سایر اجزای مخزن، بارها و تعاریف شرایط مرزی، و امکان تولید مدل های دو بعدی، سه بعدی، پوسته ای و جامد . مدل های Abaqus/CAE نیز توسط کاربر قابل ویرایش و اصلاح هستند.

تمامی بارهای مورد نیاز برای طراحی مخزن را می توان بر روی مدل های FE تولید شده  از جمله فشار استاتیک/دینامیک ترکیدگی ، تجزیه و تحلیل انتقال حرارت، جابجایی دمای جفت، آزمایش افت دینامیکی و ضربه و ارزیابی چرخه ای و خستگی اجرا کرد.

پارامترهای تنش خرابی و کرنش خرابی نیز می‌توانند در تحلیل FE برای پیش‌بینی واقعی خرابی لایه‌های کامپوزیت گنجانده شوند. علاوه بر این، رابط WoundSIM-to-Abaqus تعدادی قابلیت یکپارچه پس پردازش مانند ترسیم مسیر تخصصی  (specialized path plotting)و ابزار ترسیم کانتور برای ارزیابی پاسخ سریع مخزن را فراهم می‌کند.

WoundSIM شامل یک کتابخانه سابروتین کامپایل شده است که به تمام مقادیر خروجی پس پردازش مخصوص کامپوزیت مانند زوایای winding، تنش‌ها و کرنش‌های ماتریس فیبر و پارامترهای آسیب دسترسی می‌دهد.

در انتها، WoundSIM قابلیت های مهندسی پیشرفته و الگوریتم‌های یکپارچه ای را ارائه می‌دهد که چندین قابلیت را برای طراحان مخزن کامپوزیتی و مهندسان شبیه سازی فراهم می‌کند.

برخی از قابلیت‌ها شامل طراحی پارامتری، طراحی آزمایش، محاسبات دسته‌ای، مطالعه تنوع هندسه مخزن، هماهنگی با سایر نرم‌افزارهای winding، هماهنگی مدل‌ها با مخازن تولید شده و پردازش تصاویر مخازن است.

طراحی و تحلیل مخزن تحت فشار کامپوزیت در فضای ابری CPVdesign

اگرچه این نرم افزار به اندازه نرم افزارهای قبلی توانایی‌های متعددی ارائه نمی‌دهد اما قابلیت انجام تحلیل‌ها در فضای ابری بدون نیاز به نصب ، آن‌را منحصربه‌فرد می‌کند. در سایت تولید کننده نرم افزار، چنین توضیحی را درباره CPVdesign ارائه می‌کند :

می‌توان از برنامه‌های کاربردی در tools section برای ارزیابی اولیه طرح و ایجاد بلوک ساختمانی برای طراحی استفاده کرد.

بخش تجزیه و تحلیل FE اجازه می‌دهد تا یک رویکرد گام به گام دقیق‌تر برای مدل سازی، ساخت و تجزیه و تحلیل ساختار مخزن تحت فشار کامپوزیتی با استفاده از تجزیه و تحلیل اجزای محدود ساختاری پیشرفته و غیرخطی ارائه دهد.

همه اینها در فضای ابری بدون نیاز به نصب نرم افزار توسط کاربر انجام می‌شود. پس از تکمیل طراحی، ترتیب لایه لایه بهینه شده را می‌توان برای تولید الگوهای winding برای کل مخزن استفاده کرد.

نرم افزار Mikrosam’s Winding Expert ™

نرم Winding Expert  محصول شرکت Mikrosam نرم افزاری تخصصی و user friendly است که همانطور که از اسمش پیداست برای تحلیل winding و پیش‌بینی مسیر آن توسعه یافته است. سایت سازنده ، نرم افزار را اینگونه معرفی می‌کند:

«Winding Expert™ نرم افزاری توسعه یافته توسط Mikrosam برای ایجاد، ویرایش و شبیه سازی برنامه های winding رشته است.

این نرم افزار کاربر پسند است که به طراح کامپوزیت اجازه انعطاف پذیری برای ایجاد برنامه های رشته پیچی که به طور کامل نیازهای محصول را برآورده می کند، می‌دهد. این نرم افزار برای لایه‌ها و برنامه های winding محیطی (حلقه ای)، مارپیچی، انتقالی و موارد تعریف شده سفارشی می‌تواند استفاده شود.

ویژگی‌های شبیه‌سازی مسیر سیم‌پیچ و شبیه‌سازی الگوی سیم‌پیچ ابزار قدرتمندی را برای ایجاد آسان و دقیق قطعات کامپوزیتی با استفاده از فناوری filament winding در اختیار طراح قرار می‌دهد.»

همچنین در ادامه درباره هماهنگی با نرم افزارهای تحلیل اجزا محدود اضافه می‌کند :« Winding Expertدارای یک ماژول برای فرستادن تمام داده‌های لازم به هر برنامه تحلیل المان محدود (FEA) است که برای محاسبه و تجزیه و تحلیل خواص مکانیکی محصولات رشته پیچی ضروری است.»

بنابراین مشکلی از بابت هماهنگی این نرم افزار با نرم افزار Abaqus وجود ندارد.

نرم افزار طراحی رشته TaniqWind Design

نرم افزار TaniqWind Design متخصص در کمک به مشتریان در بهینه سازی طرح‌های محصول و اتوماسیون فرآیندهای تولید است ؛ این شرکت عمدتاً بر صنعت لاستیک تمرکز دارد و از تجربیات گذشته خود در صنعت هوافضا برای تکمیل فناوری خود استفاده می کند.

علاوه بر این، TANIQ در محصولات ساخته شده با سنبه ، مانند شیلنگ های لایروبی، اتصالات انبساط، بسته بندی‌های بادی و سایر قطعاتی که به دلیل حجم کم و تنوع قطعات، اتوماسیون آن‌ها دشوار است، تخصص دارد. TaniqWind

Design یک گردش کار منطقی و کاربرپسند را در یک محیط CAD قابل تشخیص ارائه می‌دهد که به مهندسان اجازه می‌دهد تا به طور مستقیم با نرم افزار کار کنند تا بتوانند طرح‌های اساسی را بدون آموزش تخصصی ایجاد کنند.

این نرم افزار همچنین به کاربران با تجربه‌تر قدرت ایجاد طرح‌های قوی‌تر و پیچیده‌تر را با قابلیت‌ها و ویژگی‌های پیشرفته خود می دهد.

TANIQWind Design نرم افزاری قدرتمند برای طراحی قطعات کامپوزیتی رشته ای مانند لوله ها و مخازن تحت فشار می‌باشد.

اگرچه عملکردهای اصلی آن مشابه سایر نرم افزارهای رشته پیچ فیلامنت موجود در بازار است، بسیاری از این قابلیت‌ها توسط تیم نرم افزاری TANIQ بهبود یافته است.

TANIQWind حاصل 14 سال توسعه است و هنوز به طور فعال در حال توسعه است و در نتیجه بهبودها و توسعه‌های مستمر درحال انجام است.

قابلیت‌های کلیدی نرم افزار طراحی رشته TaniqWind Design

• تولید سنبه یا Mandrel generation (پروفایل پیوسته)
• قابلیت وارد کردن داده‌های Mandrel از جمله با فرمت dxf
• هندسه Mandrel متقارن لوله ها و محورها
• تولید کننده مسیر winding و الگو
• مسیرهای پیچ در پیچ ژئودزیکی و غیر ژئودزیکی
• مسیرهای curvature ثابت در سطح
• رشته پیچ محیطی (حلقه ای).
• رشته پیچی حلزونی
• رشته پیچ لایه انتقال
• مسیر پوشش
• گزینه مسیر قطعه بندی شده برای طراحی مسیرهای پیچ در پیچ پیشرفته
• مسیر پیچ در پیچ و شبیه سازی الگو

بدون شک یکی از نرم افزارهای قدرتمند در بحث winding نرم افزار TaniqWind می‌باشد که محیط کاربرپسندی را نیز داراست و توانایی‌های قدرتمندی در توصیف پروفیل Mandrel و الگوریتم پوشش مسیر را دارد .

بیشتر بخوانید

نرم افزار تحلیل و طراحی Altair ESAComp

Altair ESAComp نرم افزاری مستقل و stan-alone است که توانایی‌های پلتفرم Altair HyperWorks را با انجام تحلیل‌های کلاسیک سازه‌های ساخته شده از کامپوزیت‌های لایه‌ای افزایش می‌دهد.

Altair ESAComp در فازهای طراحی مفومی و اولیه، و طراحی دقیق برای بالا بردن سطح تحلیل‌ها برای تایید طراحی نهایی استفاده می‌شود.

به ‌لطف توانایی ارتباط آن با نرم افزارهای المان محدود پرکاربرد، Altair ESAComp به خوبی در فرآیندهای طراحی جای می‌گیرد.

این نرم افزار توانایی‌های تحلیل وسیعی از جمله لمینیت‌های جامد ساندویچی و المان‌های ساختاری را داراست. همچنین ویژگی‌ دیگر قابل توجه آن دیتابیس متریال وسیع Altair ESAComp شامل مشخصات بیش‌از 1000 سیستم متریال مختلف تجاری است.

نرم افزار تحلیل و طراحی CADWIND

نرم افزار CADWIND به ادعای سازنده پیشرفته ترین نرم افزار شبیه سازی فرآیند filament winding در دنیا با بیش از 30 سال سابقه تحقیق و توسعه و پرکاربردترین است.

CADWIND فرآیند رشته پیچی را روی یک مدل کامپیوتری لاینر و ماشین رشته پیچی شبیه سازی می‌کند.

این نرم افزار الگوی رشته پیچی را برای هر هندسه لاینر محاسبه کرده و بطور اتوماتیک برنامه‌ی تولید قطعه را از 2 تا 6 محور برای هرنوع ماشین winding ایجاد می‌کند.

قابلیت های کلیدی نرم افزار تحلیل و طراحی CADWIND

مدل‌سازی فیزیکی : مهم‌ترین قابلیت CADWIND مدل‌سازی فیزیکی فرآیند رشته پیچی است. این مفهوم شبیه‌سازی خاص، که برای بیش از 20 سال به اثبات رسیده است، بسیار قوی‌تر از فرمول‌های هندسی تحلیلی است.

مدل‌سازی اصطکاک : شبیه‌سازی CADWIND شامل مدل‌سازی اصطکاک بین رشته و لاینر می‌شود. این اصطکاک امکان انحراف از مسیر جئواستاتیک (که کوتاه‌ترین مسیری است که بین دو نقطه روی یک سطح منحنی وجود دارد) را به آن می‌دهد و در نتیجه طیف وسیع‌تری از امکانات طراحی و تولیدی را می‌دهد. این ویژگی CADWIND را از هر پکیج نرم افزاری filament winding دیگر در بازار متمایز می‌کند.

هندسه‌های متقارن محور و غیر متقارن : این روش شبیه‌سازی به CADWIND اجازه می‌دهد تا لایه‌بندی فیبر را برای هندسه هر قطعه محاسبه کند: برای مثال هندسه‌های متقارن محوری ساده مانند لوله‌ها تا هندسه‌های غیر متقارن پیچیده مانند زانویی و اتصالات T.

هر ماشین یا ربات : CADWIND برنامه قطعه را تقریبا برای هر نوع از ماشین یا کنترلی تولید می‌کند.

شبیه‌سازی ماشین آنی : CADWIND به شما این امکان را می‌دهد تا فرآیند رشته پیچی را به طور کامل مشاهده کنید. این انیمیشن دینامیک و آنی از ماشین در حال پیچیدن الیاف به شما نشان می‌دهد. این به شما تصور بسیار بهتری از آنچه را که هنگام انتقال برنامه رشته پیچ به دستگاه انتظار دارید، می‌دهد. شما می‌توانید حرکات دستگاه و دینامیک آنها را مشاهده کنید، اگر برنامه رشته پیچ به آرامی اجرا شود، اگر محدوده یک محور فراتر رود، یا اگر چشم پرداخت با لاینر برخورد کند، قبل از اینکه اتفاق بیفتد.

دینامیک ماشین بهینه : CADWIND کنترل کاملی بر دینامیک حرکت ماشین می‌دهد. این امکان، بهینه سازی داده‌های کنترلی شما را با توجه به معیارهای مختلف فراهم می‌کند.

همچنین این نرم افزار ویژگی‌های مختلف دیگری را در اختیار می‌گذارد ، از جمله : تحلیل و طراحی، مدل‌سازی مطمئن (برای قسمت‌های با دیواره نازک یا چندلایه)، تغییرات زاویه winding ، لینک کردن و اتصال لایه‌های مختلف، قابلیت اتوماسیون و رابط کاربری قوی با امکانات متنوع .

نرم افزار تحلیل و طراحی ComposicaD ™

ComposicaD کلید طراحی موفق و تولید کارآمد قطعات filament wound است. این نرم افزار اجازه می‌دهد تا کل توالی لایه بندی را مدل سازی کرده و داده های عددی را برای FEA آماده کرد تا مطابق شرایط بارگذاری مختلف باشد. پس از بهینه سازی، کد کنترل ماشین‌های filament windings محاسبه می‌شود که منجر به حرکتی صاف و دقیق می‌شود.

رابط نرم افزار برای همه ماشین‌ها با همکاری همه تامین کنندگان تجهیزات اصلی توسعه یافته است. ComposicaD از سال 2010 ّبا استاندارد صنعت فعالیت دارد .

نرم افزار ComposicaD™ الگوهای winding را برای هر ماشین filament winding تولید می‌کند.

ماژول‌ها و پکیج‌های مجموعه ComposicaD امکان استفاده از سیم‌پیچ رشته‌ای برای:

• لوله‌ها و مجرا‌ها،
• مخازن و تانکرها،
• هر نوع شکل دورانی،
• سه راهی لوله و زانویی‌ها،
• اسپارها،
• و سایر اشکال هندسی.

طبق گفته سازندگان (SS&A) این نرم افزار کاملاً user-friendly طراحی شده است و باعث می‌شود برنامه نویس قطعه به سرعت قطعات را بسازد. این نرم افزار در سطح قطعه متمرکز است، نه در سطح لایه ، جایی که بسیاری از نرم افزارهای موجود امروزی متمرکز هستند.

بسیاری از رشته پیچ‌های رشته ای طیفی از لوله‌ها یا مخازن را می‌سازند که فقط از نظر طول یا قطر کلی متغیر هستند. با استفاده از ComposicaD، برنامه‌نویس قطعه، میز لمینت مورد نظر را می‌سازد – لایه‌های مختلف رشته پیچ محیطی، helical و انتقالی – و سپس می‌تواند طیف وسیعی از قطعات را به سادگی با تغییر طول و/یا قطر قطعه تولید کند.

ComposicaD به طور خودکار تمام لایه‌ها را دوباره محاسبه می‌کند تا قطعه جدید تولید شود.

نرم افزار ComposicaD از بسیاری از الگوریتم های بهبود یافته برای محاسبه مسیرهای فیبر و حرکات ماشین استفاده می‌کند. این یک پایگاه داده از مواد – تنظیمات باند فیبر معمولی – که شامل پهنای باند، ضخامت باند، حداکثر پتانسیل لغزش، چگالی باند، هزینه و سایر پارامترها است را نگهداری می‌کند.

این پارامترها برای محاسبه وزن لمینت، طول الیاف مصرفی، و هزینه‌ها و همچنین زمان رشته پیچی، هم بر اساس کل قطعی و هم برای لایه های جداگانه استفاده می‌شود.

این نرم افزار خروجی ماشین را برای حداکثر شش محور حرکت تولید می کند – دوک(spindle)، کالسکه(carriage)، کالسکه متقاطع، چشم چرخان، محور انحراف(yaw axis) و محور عمودی. نزم افزار به طور خودکار افزایش ضخامت را محاسبه کرده و کانتور سیم پیچ را تنظیم می‌کند. سرعت سیم پیچ توسط شتاب‌ها و سرعت‌های ماشین از جمله سرعت فیبر کنترل می‌شود و می‌تواند تا محدودیت‌هایی که ماشین رشته پیچ هدف دارد تغییر کند.

نرم افزار تحلیل و طراحی مهندسی MF Wind

این نرم افزار توسط شرکت MFTech فرانسه تولید و استفاده می‌شود. این شرکت یک SME است که به یک شرکت با معیارهای جهانی در رشته پیچی فیلامنت تبدیل شده است. این شرکت خدمات تولیدی برای قطعات کامپوزیتی همچون لوله‌های مستقیم، مخروطی و مربعی شکل، مخازن، elbowها، هندسه‌های پیچیده، قراردادن الیاف و ماشینکاری کامپوزیت‌ها‌ ارائه می‌دهد.