直播預(yù)告-汽車增強塑料結(jié)構(gòu)多尺度分析及輕量化仿真技術(shù)

精彩直播預(yù)告

車用增強塑料的力學性能高度倚賴工藝，相關(guān)結(jié)構(gòu)的輕量化與優(yōu)化依賴于分析精度。目前，汽車EV化的高速推進導(dǎo)致輕量化需求日益提高，基于材料各向同性、部件均勻化、準靜態(tài)假設(shè)的分析方法已無法有效挖掘相關(guān)部件的減重潛力。

Digimat作為一款復(fù)合材料多尺度分析平臺，提供了多尺度材料正&逆向建模、材料數(shù)據(jù)庫、工藝結(jié)果映射及結(jié)構(gòu)多尺度耦合分析、A-&B-許用值虛擬計算等眾多功能，為相關(guān)領(lǐng)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確分析和優(yōu)化提供了成熟的解決方案。

本次直播，將從多尺度理論展開，輔以真實客戶案例針對性闡述并演示汽車增強塑料結(jié)構(gòu)分析解決方案，分析常用的多尺度材料模型，歡迎預(yù)約報名！

1月19日 14:00 

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玻纖增強復(fù)合材料具有密度小、韌性高、成型快、成本低等優(yōu)點，在汽車、電子電器等領(lǐng)域廣泛使用。玻纖增強復(fù)合材料產(chǎn)品通常使用注塑工藝生產(chǎn)，玻纖取向在產(chǎn)品中的分布會存在差異，進而影響產(chǎn)品的最終性能。為了準確預(yù)測玻纖增強復(fù)合材料產(chǎn)品的性能，需要在仿真分析中考慮工藝（如玻纖取向）的影響。

本案例為您詳解延鋒彼歐公司如何使用Digimat對復(fù)合材料尾門內(nèi)板的沖擊性能進行分析應(yīng)用。基于?？怂箍灯煜碌膹?fù)合材料多尺度仿真軟件Digimat，用戶可以輕松創(chuàng)建復(fù)合材料材料卡片，將模流仿真分析結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格，從而實現(xiàn)玻纖增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確仿真。同時，注塑工藝中的熔接線也會使材料強度有顯著下降，因此在仿真中還需要考慮熔接線的影響。Digimat可將模流分析中的熔接線結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格，以此計入熔接線對產(chǎn)品性能的影響。

復(fù)合材料力學性能測試

注塑玻纖復(fù)合材料尾門內(nèi)板使用的材料為PP-GF40。考慮三種玻纖取向的試驗樣件，即0°、45°、90°，進行準靜態(tài)拉伸試驗，結(jié)果如圖1所示。

圖1. 準靜態(tài)條件下，不同玻纖取向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了最終預(yù)測沖擊響應(yīng)，還需要考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)。為此，測試了三種玻纖取向的3個應(yīng)變率（1/s，20/s，200/s）動態(tài)試驗，其中玻纖取向0°試件各應(yīng)變率下的測試結(jié)果如圖2所示。

圖2. 不同應(yīng)變率下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

為了考慮熔接線對強度的影響，制備試樣時，在中心位置注塑形成熔接線。樣件尺寸參考ISO 527 1A標準，厚度為4mm。通過拉伸試驗獲得熔接線的強度，結(jié)果如圖3所示。

圖3. 含有熔接線的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

多尺度復(fù)合材料本構(gòu)建模

Digimat具備復(fù)合材料逆向建模功能，提供材料參數(shù)自動化擬合工具。本文基于0°, 45°, 90°拉伸試驗結(jié)果，通過材料逆向工程得到基體和增強相的彈塑性材料本構(gòu)參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，還進行了復(fù)合材料失效參數(shù)逆向標定。這里使用基于應(yīng)變的Tsai-Hill橫觀各向同性失效準則，失效機理定義為FPGF(First Pseudo-Grain Failure)。

圖4. 材料逆向建模結(jié)果與測試結(jié)果對比：（a）準靜態(tài)拉伸；（b）動態(tài)拉伸

最后，基于不同應(yīng)變率條件下的測試結(jié)果，利用材料逆向工程得到基體和增強相在不同應(yīng)變率情況下的彈塑性材料本構(gòu)。結(jié)果如圖4所示，通過逆向工程構(gòu)建的復(fù)合材料本構(gòu)模型，能夠很好的描述試件中材料的準靜態(tài)拉伸、失效以及動態(tài)拉伸行為。

尾門內(nèi)板沖擊性能分析

使用模流仿真分析，可以得到尾門內(nèi)板的玻纖取向和熔接線分布如圖5所示。結(jié)果表明在尾門內(nèi)板不同位置，玻纖取向存在較大差異，并且結(jié)構(gòu)中存在大量的熔接線，這些都對尾門內(nèi)板性能有著重要影響。

通過Digimat的工藝映射功能，可以將玻纖取向和熔接線分布結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格上，從而在結(jié)構(gòu)仿真分析中考慮兩者的影響。

圖5. 尾門內(nèi)板中玻纖取向及熔接線分布結(jié)果：（a）X方向；（b）Y方向；（c）熔接線

尾門內(nèi)板沖擊試驗工況加載如圖6所示：尾門內(nèi)板在鉸鏈以及鎖位置處進行固定，沖擊塊布置在內(nèi)板Y=0平面上，質(zhì)量為7.4kg，沿X方向以20.37 km/h初始速度沖擊尾門內(nèi)板。

圖6. 尾門內(nèi)板沖擊試驗加載示意圖

仿真及實際試驗情況下，沖擊塊的位移-時間歷程曲線如圖7所示。仿真得到的最大位移為54mm，試驗得到?jīng)_擊塊在20ms時達到最大位移50mm，兩者的誤差為8%。

圖7. 仿真和試驗情況下，沖擊塊的位移-時間歷程曲線

同時，也對比了仿真及試驗情況下，尾門內(nèi)板發(fā)生失效的位置，如圖8所示。結(jié)果表明，使用Digimat聯(lián)合仿真分析，能夠準確的預(yù)測了熔接線及關(guān)鍵應(yīng)力集中位置的開裂情況。

圖8. 尾門內(nèi)板開裂位置，仿真與試驗結(jié)果對比

結(jié)論與效益

本案例結(jié)合準靜態(tài)及動態(tài)復(fù)合材料試驗，利用Digimat逆向參數(shù)識別和多尺度建模功能，構(gòu)建了PP-GF40材料考慮應(yīng)變率效應(yīng)和FPGF失效的本構(gòu)模型參數(shù)，并考慮了熔接線對結(jié)構(gòu)強度的影響。通過工藝映射，將玻纖取向和熔接線分布引入尾門內(nèi)板沖擊仿真分析中，成功精確預(yù)測了內(nèi)板的變形和失效。案例充分展示了Digimat軟件在短切纖維增強復(fù)合材料產(chǎn)品力學性能準確預(yù)測方面的能力。

以上工作提升了CAE的求解精度，為玻纖增強材料零件的精準輕量化設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。與此同時，Digimat的引入也將提升物理試驗的一次通過率，縮短開發(fā)周期。針對玻纖增強材料的仿真還將拓展到熔接線或殘余應(yīng)力導(dǎo)致的開裂，熱機耦合導(dǎo)致的失效，以及各項異性材料的蠕變和耐久問題。

以一個項目玻纖增強材料的零件輕量化10%，量綱10萬輛，開發(fā)5個項目進行計算，預(yù)計可以節(jié)約成本數(shù)百萬元。

龔慧靈

?？怂箍?a style='color: blue;display:inline;border:none;' target='_blank' onclick="HitLog('工業(yè)軟件','http://www.gongkong.com/soft/')">工業(yè)軟件材料仿真技術(shù)專家

在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、汽車輕量化結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域工程具有豐富經(jīng)驗，支持&參與的項目涵蓋：航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效分析、CFRP結(jié)構(gòu)固化回彈評估、SFRP部件沖擊失效及NVH分析等。