Global-local analysis of composite structures

Global-local analysis of composite structures

Giacinto Alberto Fiordilino (1, 2) , Alfonso Pagani (1) , Erasmo Carrera (1) , Marco Montemurro (2)

1 DIMEAS - Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale [Torino]
2 I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux

The design and certification process of aerospace structures requires a detailed stress characterization. Nevertheless, thecomplexity of the aircraft structures and the use of composite materials can significantly increase the computational costs of the models. This work proposes a global/local modelling strategy to set up an high-order model only for a reduced region of the global model. The methodology has been implemented in two steps. The first step is devoted to the static analysis on a global model of the structure and it is done by means of a commercial Finite Element (FE) software using 1D/2D standard elements. In the second step, an high-order beam model is locally built, i.e. within the zone of interest (ZOI), importing the information from the previous global analysis. The refined theories utilized in the detailed analysis are implemented in the framework of the Carrera Unified Formulation (CUF) and are not available in commercial software. Due to the characteristics of the CUF refined beam theories, complex 3-D stress fields are detected and complex phenomena as the free edge effects in composite structures, are easily studied with the proposed global/local modelling approach. Some benchmarks are reported to prove the effectiveness of the proposed methodology.

Le processus de conception et de certification des structures aérospatiales nécessite une caractérisation détaillée de l’état de contraintes. Toutefois, la complexité de ces structures et l’utilisation de matériaux composites peuvent considérablement augmenter le temps de calcul des modèles. Ce travail propose une méthodologie de modélisation de type global-local pour mettre en place un modèle d’ordre élevé uniquement pour une région réduite du modèle global. La méthodologie a été mise en œuvre en deux étapes. La première étape est consacrée à l’analyse statique sur un modèle global de la structure et se faità l’aide d’un logiciel commercial de calcul par éléments finis utilisant des éléments standard 1D / 2D. Dans une deuxième phase, un modèle 1D d’ordre élevé est créé localement dans la zone d’intérêt (ZOI), en important les informations de l’analyse globale précédente. Les théories raffinées utilisées dans l’analyse détaillée sont mises en œuvre dans le cadre de la formulation unifiée proposée par Carrera. En raison des caractéristiques de ces théories d’ordre élevé, il est possible de saisir précisément l’état de contrainte 3D et de pouvoir bien décrire des phénomènes complexes telles que les effets de bord libre dans des structures composites. Des benchmarks seront illustrés pour démontrer l’efficacité de la méthodologie proposée.

Mots clés: Carrera Unified Formulation; Finite Element Method; Refined Beam Theories; Global/Local Analysis

Mots clés: formulation unifiée de Carrera; théories d’ordre supérieur; méthode des éléments finis; Analyse globale / locale

Domaines: Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]

Giacinto Alberto Fiordilino, Alfonso Pagani, Erasmo Carrera, Marco Montemurro. Global-local analysis of composite structures. 21ème Journées Nationales sur les Composites, École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM) - Bordeaux, Jul 2019, Bordeaux, Talence, France. ⟨hal-02420718⟩