設(shè)計仿真 | Digimat在電池殼體SMC復合材料成型工藝中的應(yīng)用

SMC（Sheet Molding Compound的縮寫，即片狀模塑料）是一種復合材料制造工藝。該工藝可以有效地代替金屬，實現(xiàn)車輛輕量化目標。該工藝不僅能夠顯著降低車身重量，而且設(shè)計靈活，操作簡單、易于實現(xiàn)自動化、可成型表面光滑結(jié)構(gòu)復雜的制品等。近年來可以看到越來越多的電車企業(yè)，選擇SMC作為制備電池殼體的首選工藝。其成型方法是將纖維短切，鋪設(shè)在樹脂和添加劑混合所形成的樹脂漿料上，之后在表面進行樹脂疊加，三者通過加壓固化的方式改變材料厚度，最后包裝。

在得到SMC工藝制備的片狀卷材后，會對材料進行進一步加工，通常稱為CF-SMC模壓成型工藝，將連續(xù)碳纖維和短切纖維通過不同形式的混雜加工從而制備成形狀較為復雜、有較高尺寸精度要求的復合材料零部件，這里連續(xù)纖維作為增強體彌補了短切纖維的力學短板，達到了局部補強的目的。可以看出該種方式通過控制纖維長短，鋪設(shè)方向，可以進一步設(shè)計復合材料的力學性能，在力學性能的可控性和可設(shè)計性要比單層SMC片材大。該工藝適用于大批量、重復性高、結(jié)構(gòu)復雜的汽車半結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)。在不犧牲力學性能、表面質(zhì)量的情況下進一步減輕重量。

該制造工藝的難點在于需要設(shè)計匹配的鋪層或者纖維的分布，用以配合不同結(jié)構(gòu)件的力學或其他性能要求。這些挑戰(zhàn)要求在設(shè)計之初，不僅需要考慮純力學分析，還要考慮制造工藝過程中所引入的材料各向異性。由于有意識的設(shè)計纖維分布的不均勻，導致在宏觀表征上，結(jié)構(gòu)件的各向異性明顯。通過計算機仿真分析可以快速方便地研究不同設(shè)計得到的車身結(jié)構(gòu)的力學性能，進而幫助企業(yè)快速確定工藝參數(shù)，減少了實際測試和調(diào)整的時間和次數(shù)，進而降低生產(chǎn)成本，提高研發(fā)和生產(chǎn)效率。

Digimat是一款多尺度復合材料性能預測商業(yè)軟件，能夠幫助用戶在材料微觀結(jié)構(gòu)，制造工藝和宏觀結(jié)構(gòu)性能等方面進行高精度預測和分析。

Digimat 用戶界面

在SMC工藝中Digimat可以從多個角度進行技術(shù)支持和分析。微觀結(jié)構(gòu)上，Digimat可以建立RVE單元，分析材料的微觀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以考慮纖維的長短，纖維的形狀，纖維的體積比等。此外，樹脂的材料屬性也可以進行進一步分析，從材料組分上構(gòu)建準確的材料模型。

Digimat分析材料微觀結(jié)構(gòu)

進一步進行制造工藝分析，在工藝流程軟件如Moldflow，Moldex3D中可以進行纖維分布，熔接線等分析。參考下圖的兩種設(shè)計，可以看出，當SMC工藝鋪層方式不同時，盡管工藝仿真顯示，纖維分布方向近似，但熔接線有著明顯的不同。

SMC結(jié)構(gòu)件中纖維分布和熔接線

在得到熔接線的分布情況后，結(jié)合材料各向異性和纖維分布，在結(jié)構(gòu)有限元分析中，賦予每個單元不同的材料性能。同時在熔接線處進行性能折減處理，全面考慮工藝流程對結(jié)構(gòu)件性能的影響。

如下圖中結(jié)構(gòu)件有限元分析顯示，一個電車電池殼體分析，考慮頂層分布和底層微觀結(jié)構(gòu)，即纖維分布排列情況。場景一，在不考慮纖維分布，材料各向異性的情況下，分析結(jié)構(gòu)件宏觀力與位移關(guān)系，場景二分析結(jié)果顯示，施加相同位移情況下，受力低15%。同時，在下圖中也可以觀察到，結(jié)構(gòu)件的失效位置也有所不同。在第一種情境分析下，失效區(qū)主要集中在T區(qū)。但當我們考慮材料的各向異性，即下圖中中間和右側(cè)的分析結(jié)果?？梢钥吹竭吘壧幋嬖谑^(qū)域。此外，不同工藝下，由于熔接線的不同，T區(qū)的失效程度也有差異。整體來看，考慮材料的各向異性、制造工藝的影響，可以準確的分析受力邊界和失效區(qū)域。

SMC在電車電池殼體中的力學分析結(jié)構(gòu)

利用Digimat與工藝軟件、有限元仿真分析軟件的聯(lián)合仿真，實現(xiàn)了含有各向異性纖維的復合材料車身結(jié)構(gòu)件的仿真分析。從材料微觀結(jié)構(gòu)，制造工藝，結(jié)構(gòu)件仿真全方面精確模擬不同條件下SMC車身結(jié)構(gòu)件的力學性能，幫助企業(yè)優(yōu)化工藝，節(jié)省材料損失，縮短研發(fā)時間，達到降本增效的目的。