Simulation of filament winding in Simulink and mechanical modeling
Προσομοίωση της περιέλιξης νήματος στο Simulink και μηχανική μοντελοποίηση
Διπλωματική εργασία
Συγγραφέας
Χριστόπουλος, Παναγιώτης
Ημερομηνία
2024-07-30Επιβλέπων
Δραγατογιάννης, ΔημήτριοςΛέξεις-κλειδιά
Filament Windig ; Digital twin ; MATLAB ; Simulink ; Composites parts ; Fibers ; Epoxy resin ; Finite element methods ; Engineering of composite structures ; Manufacturing of composite structuresΠερίληψη
The filament winding method has been widely used since the 1960s for manufacturing complex structures such as pipes, shafts, and pressure vessels. This method enables the production of lightweight and durable structures with excellent weight-to-strength ratios. It involves winding high-strength fibers, which may or may not be impregnated with epoxy resin, at various angles onto a cylindrical surface (mandrel) to form composite constructions. Over the years, scientists have sought to optimize this process by understanding its underlying principles and analyzing how material parameters and characteristics affect the final product.
The goal of this diploma thesis is to optimize the filament winding process by developing a digital twin. In recent years, many companies have embraced digital twin technology to enhance their products and processes. By combining digital twin technology with filament winding, we aim to manufacture improved composite products and optimize the filament winding process by reducing errors and predicting potential future failures.
This project utilizes MATLAB code to generate results based on various input data, including mechanical properties of materials, fiber winding angles, and geometric characteristics. Additionally, Simulink is used to visually represent the manufacturing process of composite parts. Moreover, geometrical model is built in a CAD program utilizing MATLAB results, for transferring the geometry to a commercial fine element program Ansys. Finaly, complex pieces using finite element analysis.
Περίληψη
Η μέθοδος περιέλιξης νήματος (Filament Winding) είναι μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδος για την κατασκευή σύνθετων κατασκευών όπως σωλήνες, άξονες, δοχεία πίεσης κ.α. από το 1960. Με τη μέθοδο αυτή κατασκευάζονται ελαφριές και στιβαρές κατασκευές με εξαιρετικές αναλογίες βάρους και αντοχής. Η διεργασία αυτή βασίζεται στην περιέλιξη νημάτων από ίνες υψηλής αντοχής όπου αυτές μπορεί να εμποτίζονται ή όχι σε εποξική ρητίνη. Οι ίνες αυτές τυλίγονται υπό μια γωνία σε μια κυλινδρική επιφάνεια (mandrel) συνθέτοντας την σύνθετη κατασκευή. Ιστορικά αυτή η μέθοδος έχει απασχολήσει αρκετούς επιστήμονες με στόχο τη βελτιστοποίηση της διεργασίας κατανοώντας και αναλύοντας σε βάθος τις αρχές που διέπουν αυτή τη μέθοδο και το πως οι παράμετροί υλικών και χαρακτηριστικών που χρησιμοποιούνται και ορίζονται επηρεάζουν το τελικό προϊόν.
Στόχος αυτή της διπλωματικής εργασίας είναι η βελτιστοποίηση της διεργασίας με την ανάπτυξη ενός ψηφιακού διδύμου (Digital Twin). Τη τελευταία δεκαετία όλο και περισσότερες εταιρείες στρέφονται στην τεχνολογία του ψηφιακού διδύμου με σκοπό την βελτιστοποίηση των προϊόντων τους και διεργασιών τους. Με τον συνδυασμό των δυο αναφερόμενων τεχνολογιών και επιτευχθεί η εξαγωγή βελτιωμένων και αναβαθμισμένων σύνθετων προϊόντων καθώς επίσης και βελτιστοποίηση της διεργασίας με μείωση των σφαλμάτων και πρόβλεψη μελλοντικών αστοχιών που μπορεί να προκληθούν.
Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιείται κώδικας στη γλώσσα MATLAB ο οποίος παράγει αποτελέσματα συναρτήσει των δεδομένων που επηρεάζουν το τελικό αποτέλεσμα, όπως μηχανικές ιδιότητες υλικών, γωνία περιέλιξης ινών, γεωμετρικών χαρακτηριστικών κ.α. Στη συνέχεια με τη χρήση του προγράμματος Simulink, γίνεται η οπτική αναπαράσταση της διεργασίας της κατασκευής των σύνθετων κομματιών. Επιπλέον η γεωμετρία κατασκευάστηκε σε πρόγραμμα σχεδίασης χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του προγράμματος MTALAB, ώστε αυτή να μεταφερθεί σε πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων και συγκεκριμένα στο Ansys. Τέλος σύνθετα κομμάτια από την γεωμετρία χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση των πεπερασμένων στοιχείων.