composites analysis using nastran/patran by dr. faeq m. shaikh

Post on 15-Dec-2016

259 Views

Category:

Documents

15 Downloads

Preview:

Click to see full reader

TRANSCRIPT

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

Dr. Faeq M. Shaikh

Seattle, Washington, USA

(Seattle is home of Boeing Jets)

1

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Pre‐Requisites for Today’s Seminar

Basic understanding of Finite Element Analysis

Working Knowledge of Laminate Plate Theory

2

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• NASTRAN & PATRAN are products of McNeal Schwendler Corporation (MSC)

• PATRAN = Pre & Post Processor• NASTRAN (NASA Structural Analysis)= Solver

3

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

PATRAN

4

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Modeling CapabilitiesLine (Bar) Elements:

5

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Modeling CapabilitiesLine (Beam) Elements:

6

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Modeling CapabilitiesSurface (Shell) Elements:

7

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Modeling CapabilitiesSurface (Shell) Elements:

8

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Modeling CapabilitiesSolid Elements:

9

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Results ‐ Deformation

Animate Deformation

10

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Results ‐ Deformation

11

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Summary of PATRAN Results ‐ Stresses

12

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Process of Finite Element Analysis:Set database units (British or Metric)Define or Import (from CAD tools) GeometryCreate finite element meshDefine materials (isotropic, orthotropic, anisotropic)Define laminate / sandwich materialsApply materials to element propertiesApply loads and boundary conditionsPerform analysis (Linear, Non‐Linear, Buckling, etc)Access ResultsCreate fringe and deformation plots

13

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Shell (Plate) vs. Solid ElementsMesh Using Shell 

Elements:• Can model bending.•Usually much smaller model size• Elements are created on a surface (area)• Limited thru‐thickness results

Mesh Using Solid Elements:

•Do not have bending capability•Much larger model size• Elements are created on a volume• Thru‐thickness result capabilities

14

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Examples of Models with Shell & Solid Elements:

15

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Composites can be modeled using both shell and solid elements. Choice depends on:Computing power (large vs. small models) What kind of results are required (2D vs. 3D state of stress  in‐plane vs. thru‐thickness)Importance of interfaces (fitting attachments, etc.) IF

16

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• 2D vs.        3D State of Stress

17

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Composites can also be modeled as a hybrid of shell and solid elements

Model facesheet as shell elements

Model facesheet as shell elements

Model core as solid elements

18

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Materials – Isotropic:

3D Constitutive Relationship

Plane StressConstitutive Relationship

19

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Materials – Orthotropic:MAT3 Orthotropic materialis defined for Solid elements.

MAT8 orthotropic materialis defined for shell elements.

20

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Materials – Anisotropic:

The MAT2 is used to define 2D anisotropic constitutive stress-strain relationship using the anisotropic material matrix.

The MAT9 is used to define 3D orthotropic constitutive stress strain relation using the anisotropic material matrix.

21

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Laminate Plate Theory – Overview

The laminate consists of perfectly bonded laminae.The bonds are infinitesimally thin and nonshear‐deformable; i.e., displacements are continuous across laminae boundaries so that no lamina can slip relative to another.Each of the lamina is in a state of plane stress.

22

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Modeling composites:Laminated composites are a "stack" of laminae with different orientations

23

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Modeling composites‐what do we need?Lamina properties (E, G, etc)OrientationThicknessStacking sequence

24

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Modeling composites‐what do we need?Data RecoveryDisplacementsForcesPly StressesPly StrainsMargin of Safety / Failure Indices

FI < 1, the lamina is assumed safe.FI > 1, the lamina is assumed to have failed.

25

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Failure Indices:Isotropic Materials: Strength is independent of orientation of body under loadLaminated Composites (orthotropic ): Strength is a function of body orientation relative to load.Minimum Allowables Required:

Tensile stress/strain in material 1 & 2 directionsCompressive stress/strain in material 1 & 2 directionsShear stress/strain in principal material direction.

26

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Failure Theories in NASTRAN / PATRAN:

27

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Start a project:

28

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• PATRANModeling Window

29

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• PATRANApplication Form

30

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

Creating Geometry: 1

23

31

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Creating Mesh: 1

2 3

32

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Materials:

1

2

3

4Creating Uni‐Directional Tape(for 2D Shell Elms)

33

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Materials:

1

2

3

4Creating Honeycomb Core(for 2D Shell Elms)

34

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Materials:

1

2

3

4

Creating Honeycomb Core(for 2D Shell Elms)

35

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Materials:

1

2

Laminate Constants(for 2D Shell Elms)

36

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Element vs. Material Coordinate System:

For 2D shell elements, ECS from Node 1 to Node 2Element Forces come out in Element Coordinate Sys

MCS defines the 0 deg fiber directionPly Strains & Stresses come out in ply fiber directions / Material Coordinate System

37

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Properties:

1

2

3

4

38

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Geometry:

1. Create Points2. Create Surface

3. Create solid (for 3D analysis)

39

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• FEMs:

1. Create Nodes & Elements (2D)

2. Create solids (for 3D analysis)

40

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Apply Loads: 1

2

3

41

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Apply Boundary Conditions: 1

23

4

42

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Analyze:1

2

3

43

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• 3D Modeling:

44

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• 3D Modeling:

Facesheets modeled with 2D Shell Elements

Honeycomb Core modeled with 3D Solid Elements

45

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• 3D Anisotropic Material:

46

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Results – Deformation plot:

1

2

3

447

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Ply‐1 (bottom) x‐direction strain fringe plot:

1

2

3

4Compressive strain

48

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Ply‐13 (top) x‐direction strain fringe plot:

1

2

3

4Tensile strain

49

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Printed Output File – Displacements:

50

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Printed Output File – Element Forces (2D Shell):

51

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Printed Output File – Reactions at Support:

52

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Printed Output File – Ply Strains (2D Shell):

53

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Printed Output File – Stresses (3D Solid):

54

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Word of Caution ‐ Use of Offsets:

–Modeling with 2D shell elements–Meshing surface is the bottom surface– How do we model varying thicknesses?

55

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

• Word of Caution ‐ Offsets:

56

Composite AnalysisUsing NASTRAN / PATRAN

Thank You.

For questions, please contact me at:faeq_m_shaikh@hotmail.com

57

top related