Implementation and use of composite materials in Fedem

Abstract

The main goal of this master thesis was to implement composite materials in the analyzing software Fedem. Composite materials have become much used materials for various applications; they are used in everything from windmill blades and offshore diving life boats to sporting equipment.

Because of the increasing use of composite materials Fedem Technology AS analyses more and more mechanisms containing parts made from these materials. They therefore wanted to implement an element in Fedem that could handle composite materials.

This report explains the steps included in the making of the new element; first a theoretical background was gathered, then the code for the new element was written on background of the theory. When the element code was written and integrated in the Fedem source code, tests were carried out to verify the performance of the new element.

The Fedem source code for the element formulations are written in the programming language Fortran, this was therefore also the language in which the new element code was written.

An existing element formulation, also written in Fortran, was provided as a basis for the new element, meaning that only the part of the element formulation that handled the material properties had to be altered. To describe composite materials a new constitutive matrix formulation was made that is capable of handling laminates consisting of plies of orthotropic material. For composites the material orientation plays an important role, routines to adapt the constitutive matrix to the global material directions were therefore also made.

Test routines were made to test the different parts that make up the new element separately before they were integrated in the Fedem source code.This was to make sure that they worked before becoming a part of a larger code and with that in mind that the tests could be used to test future versions of similar code.

After the new element was implemented in Fedem tests were carried out to confirm that the element behaved as it is supposed to. The test was done by comparing simulations in Fedem with the same simulations done in NX/Nastran. The tests indicated that the new element gives similar results.

Hovedmålet med denne oppgaven var å implementere komposittmateriale i analyseprogrammet Fedem. Komposittmaterialer blir brukt til stadig flere formål, de blir brukt i alt fra vindmølleblader og fritt-fall-livbåter på oljeplattformer til ulikt sportsutstyr.

På grunn av den økende bruken av komposittmaterialer får Fedem Technology AS flere og flere analyseoppdrag på mekanismer som inneholder delerlaget i disse materialene. De ønsket derfor å implementere et element i Fedem som kunne handtere komposittmaterialer.

Denne rapporten forklarer stegene som inngikk i å lage det nye elementet;først ble teoretisk bakgrunnsinformasjon samlet, så ble koden for det nye elementet skrevet på bakgrunn av bakgrunnsteorien. Da koden for elementet var skrevet og integrert i Fedem ble det gjennomført tester for å verifisere ytelsen til elementet.

Kildekoden til Fedem er skrevet i programmeringsspråket Fedem, dette er derfor også det språket som er brukt for å skrive koden til det nye elementet.

Kildekode til et eksisterende element, også skrevet i Fortran, var tilgjengelig som en basis for det nye elementet. Dette betød at bare den delen av elementformuleringen som omhandlet beskrivelsen av selve materialet måtte endres. For å beskrive komposittmaterialer måtte det defineres en ny materialmatriseformulering som kunne beskrive sammenhengen mellom spenninger og tøyninger i laminater bestående av flere lag med ortotrope materialer. Det ble også denne sammenheng skrevet kode for å transformere materialmatrisen slik at retningen på materialet i hvert enkelt element stemte med de globale materialretningene.

Et testprogram ble laget for å teste de ulike delene som utgjøre det nye elementet før de ble integrert i kildekoden til Fedem. Dette ble gjort delsfor å teste koden før den ble en del av en mye større kode, noe som lettetfeilsøkningsarbeidet, og dels med tanke på at testene kan inngå i Fedem sitttestopplegg og bli brukt i fremtidige versjoner av programmet.

Etter at elementet var implementert i Fedem ble tester for å verifisereat elementets oppførsel var som forventet. Disse testene ble gjenomført ved å sammenligne resultater fra Fedem med resultater fra like analyser gjort iNX/Nastran. Testene indikerte at det nye elementet gir relativt like resultatersom tilsvarende i NX/Nastran.