Basics of Composite Modeling for Engineers

30
Basics of Composite Modeling for Engineers Presenter: George Laird, PhD, PE, Principal Mechanical Engineer Location: Boeing’s Future of Flight, Paine Field, May 19, 2016 FEA, CFD & LSDYNA Training, Support and Consulting Siemens NX CAD, CAM, CAE, Teamcenter and Femap and NX Nastran Sales

Transcript of Basics of Composite Modeling for Engineers

Page 1: Basics of Composite Modeling for Engineers

    

 

Basics of Composite Modeling for Engineers  

Presenter:  George Laird, PhD, PE, Principal Mechanical EngineerLocation:  Boeing’s Future of Flight, Paine Field, May 19, 2016

 

   FEA, CFD & LS‐DYNA Training, Support and 

Consulting Siemens NX CAD, CAM, CAE, Teamcenter and Femap 

and NX Nastran Sales 

Page 2: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 2 of 30  

SEMINAR OUTLINE Basics of Composite Modeling for Engineers Once you remove a bit of the fear, uncertainty and doubt about composite simulation, building accurate first order FEM’s is pretty basic. We are going to focus on the underlying basis of how composites function and show how this ties to simple and verifiable simulation models that can be easily validated for common engineering applications. This background should allow one to work comfortably with basic structures and also know when to punt to a specialist.     Who are Predictive Engineering and Applied CAx? Predictive Engineering is a 20+ year engineering consultancy that specializes in finite element analysis using FEMAP, NX Nastran and LS‐DYNA. We are simulation engineers that have built hundreds of FEA models that have been validated in test and in long term service. Our practice spans from satellites to mining equipment to submarines. We are generalists that can leverage expertize from diverse sectors to provide new insights to our clients. Applied CAx is a Siemens PLM Software value‐added‐reseller that is focused on delivering the industry’s highest level of technical support for the software that they advocate.  Predictive Engineering is a co‐owner of Applied and provides first line technical support, training and startup services to Applied’s CAE clients (e.g., FEMAP, NX Nastran, NX Adv CAE).   

Page 3: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 3 of 30  

You Win – YOU ARE HERE 

Page 4: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 4 of 30  

1. INTRODUCTION The idea is to provide a roadmap on how one can idealized a structure into a composite model and have confidence that the final FEA results will validate. We view this as a multi‐step process will a little bit of thinking will save a lot of hard work. Starting with some basics we’ll carry an example analysis forward toward final validation.  

1.1 BASIC COMPOSITE PRINCIPLES  

1.2 BUILDING COMPOSITE SOLID AND SANDWICH LAMINATES  

1.3 IDEALIZATION OF THE STRUCTURE INTO A COMPOSITE MODEL  

1.4 VERIFICATION  

1.5 VALIDATION    

Page 5: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 5 of 30  

2. BASIC COMPOSITE PRINCIPLES It is all about the fibers since the matrix can be considered just a binder that holds things together while the fibers are loaded. One way to think about it is that the fibers, whether glass or carbon, are at least 20x stiffer than the plastic matrix.  

2.1 FIRST MECHANICS ‐ ☼  Pretty much all the load goes through the fiber Carry capacity is determined by the amount of fiber volume fraction aligned to the load  Carbon fibers break at ~1% strain while glass fibers break at ~1.5% strain 

  

Although stress views feel comfortable, looking at the strain is often quite useful

Page 6: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 6 of 30  

2.2 WHAT HAPPENS IN THE PLASTIC? It is the transverse and normal loads that tear apart composites.  Take a note that the plastic strain is 4x that of the homogenous plastic. Thus, for your composite laminate of 0‐90 plies, a 1% strain down the 0°fiber direction is a 4% strain for the plastic in the 90°ply. 

 All Plastic  50% FVF

 

Page 7: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 7 of 30  

2.3 IN A REAL COMPOSITE If we keep things simple and say that the fiber fails at 1% and the plastic at 4%, we can see that more or less, FRP’s fail at the fiber breaking point with the matrix fighting for pole position in the race to failure.  

    

Page 8: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 8 of 30  

2.4 ALTHOUGH THE FIBER CONTROLS, THE MATRIX RULES ‐ ░ Once you start to lose the bond between the fibers and the matrix, failure of the composite will occur at an accelerated rate.  With a good bond, load is shared between the fiber and matrix.   

Bonded  Un‐Bonded  Bonded  Un‐Bonded 

    

   

Page 9: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 9 of 30  

2.5 WHAT ABOUT INTERLAMINAR STRESSES? As shown, the matrix transfers shear and any load carrying capacity has to be aligned with the fiber (viz. 20x stiffer than the matrix). In classical laminate theory (CLT) {another TLA} as used in plate FEA, the theory is valid for thin laminates where bending and in‐plane loading dominate. The interlaminar shear stress or strain is then calculated based on in‐plane strains plus the user defined out‐of‐plane shear modulus.  At the end of the day, it is sort of rare to have interlaminar failure unless the plastic is bad or something went amiss in the manufacturing process since it is the fibers that control the failure process.  

2.6 COMPOSITE FAILURE THEORIES Our preference is to know your material (next section), do your knock‐down and then look at principal stress or principal strain. We like first principles (structures fail under tensile or buckle if they are slender) and composites fail with a snap, crackle and pop. They are not like metals where we have 20+% plastic strains to failure but more like 1% strain (no plastic) to failure; think brittle carbon or glass fibers.  Although composites can have graceful and energy absorbing post failure behavior, their initial failure is noticeable.  

   

Page 10: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 10 of 30  

2.7 LEARN ORGANICALLY We recommend someone new to composite modeling go through the following steps  

2.7.1 UNIDIRECTIONAL COMPOSITE MODEL o Build a simply‐supported beam model using plate elements o Make an isotropic material where the elastic modulus is based on the rule‐of‐mixtures for your fiber and matrix 

o Run the model and check against hand‐calc o Change material model to 2‐D orthotropic and input values, align material direction o You should get the same values as with the isotropic material 

 2.7.2 LAMINATE COMPOSITE MODEL 

Build a two ply laminate model with each ply ½ thickness of the previous model. The 2D material model will be the same 

Run analysis and the results should be the same  Rotate one layer, observe unique behavior  Add one additional layer (three plys) and change the thickness of each ply to 1/3 of original model. Align all layers and verify the same results as in unidirectional model 

Rotate middle layer 90 degrees and finally rotate middle layer 45 degrees   

Page 11: Basics of Composite Modeling for Engineers

3. BStraandtypForyou 

3

o

 

BUILDINGaight up cod there aree of talk, tr stuff like tu would ma

3.1 MA

o Rule of M 

 

G COMPOSomposite me a ton of tuhere is no that, we haake a solid

ATERIAL M

Mixtures (C

 

FEM

SITE SOLImodels, whutorials, wneed to goave resour or sandwi

MODELING

Chamis Mo

Basics of ComMAP Symposium, 

D AND SAhen it is juswhitepaperso over settrces at Appich laminat

G OF A CO

odel) 

 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

ANDWICHst a solid las, blogs, Yoting up youpliedCAx.cote from ma

OMPOSITE

for Engineers f Flight, May 19, 20

H LAMINAaminate or ouTube infur materialom. But whanufacture

E PLY  

016 

ATES r just a sanformation l angle or that we caner’s data. 

 

dwich is noavailable. the simple n talk abou

 

Page 11 of 30 

o big deal In this tutorial. t is how 

 

Page 12: Basics of Composite Modeling for Engineers

 

o

o

o

o Workingo Treat two Uni‐direccrank 

 

 from mano plies as octional dat

FEM

nufacturer’one ply ta is comm

Basics of ComMAP Symposium, 

’s data 

on or hand

 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

d‐

for Engineers f Flight, May 19, 20016 

 

Page 12 of 30 

 

 

 

Page 13: Basics of Composite Modeling for Engineers

3Westrumo 

 

3.2 WHe are not neuctures wodeling req

We keepand whecombineWe like tply failurelement criterionPut 10 coroom ancertifyingWorld‐W20% diffeand Test

 

HAT DO Wecessarily gork but brouirements

p it simple en appropred plies as oto include re and empdeath as o omposite ed you’ll geg a compo

Wide Failureerence bett 

 

FEM

WE DO? good role ought in to  are differe

and modeiate modeone ply progressivploy FEA our pass/fa

experts in aet 10 ways site to “pae Exercise tween FEA

Basics of ComMAP Symposium, 

models sinverify thatent. 

l l 

ve 

ail 

a of ass”is A 

 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

nce we are t a design w

for Engineers f Flight, May 19, 20

often not will make i

016 

involved init through 

 

n the desigvalidation

Page 13 of 30 

gn of . Thus our 

 

 

Page 14: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 14 of 30  

3.3 MATERIAL KNOCK DOWNS AND HOLES ‐ ☼ This is a good question and depends on your level of risk management. Working from first order material data (i.e., Chamis Rule‐of‐Mixtures) or from manufacture’s data, it is difficult to provide guidance without testing.  One suggestion that we have heard is to knock down all first order data by 3x. This has some engineering guidance if one considers that a stress concentration of 3x exists around all holes in plates (isotropic material). 

We find it illustrative to just build simple models and do your own exploration – 

    

Page 15: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 15 of 30  

3.4 SANDWICH LAMINATES There is no trick in modeling a straight‐up sandwich but how you handle the transition can be quite interesting. 

 

 

   

Page 16: Basics of Composite Modeling for Engineers

3One

 

3.5 WHe of the joy

 

HEN IN DOys of simul

FEM

OUBT BUILlation is th

Basics of ComMAP Symposium, 

LD SOME at it can be

 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

SIMPLE Fe qualitativ

for Engineers f Flight, May 19, 20

FEA MODEve rather t

016 

ELS ‐ ░ than subjec

 

ctive. 

Page 16 of 30  

 

Page 17: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 17 of 30  

4. IDEALIZATION OF THE STRUCTURE INTO A COMPOSITE MODEL  

    

Page 18: Basics of Composite Modeling for Engineers

 

4.1 STR

 

RUCTURED

 

FEM

D FEA MO

Basics of ComMAP Symposium, 

ODEL (CLE 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

AN MESH

for Engineers f Flight, May 19, 20

H = CLEAN

016 

N STRESSE

 

S) ‐ ☼ 

Page 18 of 30  

Page 19: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 19 of 30  

4.2 3D STRUCTURE IDEALIZATION (SANDWICH AS LAMINATE + CORE) ‐ ☼ Idealization around transitions is not direct but a blend of exploratory models, inspection and “crossed‐fingers”   

  

    

Page 20: Basics of Composite Modeling for Engineers

4Givloadcouawahav 

4.3 BOen that onded boltedurse we areay…the bigve a FEA m

 

LTED CONnce a bolt gd connectioe talking abgger the beodel to pu

FEM

NNECTIONgoes into shons and if wbout solid etter.  Thent numbers

Basics of ComMAP Symposium, 

NS hear, failurwe have dolaminates.n what abos to your fe

 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

re can’t beoubts abou. What aboout creep, ears. 

for Engineers f Flight, May 19, 20

e fall behinut slippageout sandwiit is “plast

016 

d, we strive we recomch composic”?  Well, 

 

ve to preloammend inssites? Insethat is wh

Page 20 of 30 

ad highly erts. Of rt hy you 

 

Page 21: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 21 of 30  

5. VERIFICATION (GOTTA TEST) If you can’t test your laminates, one often is required to use a high knock down factor, say 3x. Although the ASTM test procedures are clear about Four‐Point span to thickness ratios, not all laboratories are up‐to‐date on reading the specifications  

   

Page 22: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 22 of 30  

Understanding test data sometimes requires a bit sleuthing. At first we couldn’t figure out why our nice hand calc’s weren’t matching the test data.  

Four‐Point Bend Failure of Sandwich Composite

   

   

Page 23: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 23 of 30  

To get it right, required modeling more stuff than we liked too. At the end of this effort after fiddling around with 2D shell laminate model, we took the plunge and went full 3D skin laminate with hex element solid core. The correlation was above average (>10%). 

 

Foam Material Model The Joy of Validation

   

   

Page 24: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 24 of 30  

5.1 SOMETIMES ONE HAS TO THINK LIKE THE TEST ‐ ☼ ░ It was all about localized deformation around the anvils and one might say that the test didn’t really measure the strength of the sandwich but how testing can lead to wrong answers.  

   

Page 25: Basics of Composite Modeling for Engineers

6. VAlthvalidec 

VALIDATIOhough it widation cancompressio

 

ON would be nin be assureon event. 

FEM

ce to say ted, reality i

Basics of ComMAP Symposium, 

hat througis often a h

 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

gh expertizharsh task 

for Engineers f Flight, May 19, 20

ze and caremaster. O

016 

eful modelur critical t

 

 

ing procedtest load w

Page 25 of 30 

dures, was a rapid

 

 

Page 26: Basics of Composite Modeling for Engineers

 

6.1 TES

First mod

Manufac

Mechani

Lessons L

A Model 

 

ST DATA C

del had iss

cturing Dis

cal Closur

Learned 

is a Mode

 

FEM

AN BE DIF

sues 

scoveries

res 

el 

Basics of ComMAP Symposium, 

FFICULT  

mposite Modeling fBoeing’s Future of

for Engineers f Flight, May 19, 20016 

 

Page 26 of 30 

 

 

Page 27: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 27 of 30  

6.2 THEN YOU HAVE REAL VALIDATION ‐ ░  

    

Page 28: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 28 of 30  

7. COMPOSITE SIMULATION CHECKLIST o Do your hand‐calcs and think about fiber‐volume‐fraction alignment to load o Understand that it gets knocked down to handle defects and small holes that a designer might miss – investigate and question the knock down factors 

o Make your first model isotropic and work through the load lines and for a sandwich structure, don’t forget you can still use a plate model with some tricks (see Composite Handbook) 

o Check your manufacturer’s data and build a FEA test coupon of their material o If the project has value, get independent laboratory testing of the samples o Build your FEA model with simplicity and minimum plies (i.e., merge plies of identical makeup) 

o Socialized and talk to other engineers that may have done similar projects o Realize that if you are within 15% of validation that you are a super star 

   

Page 29: Basics of Composite Modeling for Engineers

  

 Basics of Composite Modeling for Engineers 

FEMAP Symposium, Boeing’s Future of Flight, May 19, 2016  Page 29 of 30  

8. REFERENCES FOR FEMAP USERS See Applied CAx for tutorials and reference material  

    

Page 30: Basics of Composite Modeling for Engineers

 FEM

Basics of ComMAP Symposium, 

 

mposite Modeling fBoeing’s Future of

for Engineers f Flight, May 19, 20016 

 

Page 30 of 30