精彩直播預告

車用增強塑料的力學性能高度倚賴工藝，相關結構的輕量化與優(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)假設的分析方法已無法有效挖掘相關部件的減重潛力。

Digimat作為一款復合材料多尺度分析平臺，提供了多尺度材料正&逆向建模、材料數據庫、工藝結果映射及結構多尺度耦合分析、A-&B-許用值虛擬計算等眾多功能，為相關領域復合材料結構的精確分析和優(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構分析解決方案，分析常用的多尺度材料模型，歡迎預約報名！

1月19日 14:00 

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玻纖增強復合材料具有密度小、韌性高、成型快、成本低等優(yōu)點，在汽車、電子電器等領域廣泛使用。玻纖增強復合材料產品通常使用注塑工藝生產，玻纖取向在產品中的分布會存在差異，進而影響產品的最終性能。為了準確預測玻纖增強復合材料產品的性能，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對復合材料尾門內板的沖擊性能進行分析應用。基于?？怂箍灯煜碌膹秃喜牧隙喑叨确抡孳浖﨑igimat，用戶可以輕松創(chuàng)建復合材料材料卡片，將模流仿真分析結果映射到結構有限元網格，從而實現玻纖增強復合材料結構的精確仿真。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果映射到結構分析網格，以此計入熔接線對產品性能的影響。

復合材料力學性能測試

注塑玻纖復合材料尾門內板使用的材料為PP-GF40?？紤]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，結果如圖1所示。

圖1. 準靜態(tài)條件下，不同玻纖取向的應力-應變曲線

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

圖2. 不同應變率下試樣的應力-應變曲線。

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，結果如圖3所示。

圖3. 含有熔接線的試樣的應力-應變曲線

多尺度復合材料本構建模

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

在此基礎上，還進行了復合材料失效參數逆向標定。這里使用基于應變的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. 材料逆向建模結果與測試結果對比：（a）準靜態(tài)拉伸；（b）動態(tài)拉伸

最后，基于不同應變率條件下的測試結果，利用材料逆向工程得到基體和增強相在不同應變率情況下的彈塑性材料本構。結果如圖4所示，通過逆向工程構建的復合材料本構模型，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。

尾門內板沖擊性能分析

使用模流仿真分析，可以得到尾門內板的玻纖取向和熔接線分布如圖5所示。結果表明在尾門內板不同位置，玻纖取向存在較大差異，并且結構中存在大量的熔接線，這些都對尾門內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果映射到結構有限元網格上，從而在結構仿真分析中考慮兩者的影響。

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

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

圖6. 尾門內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，試驗得到沖擊塊在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，尾門內板發(fā)生失效的位置，如圖8所示。結果表明，使用Digimat聯合仿真分析，能夠準確的預測了熔接線及關鍵應力集中位置的開裂情況。

圖8. 尾門內板開裂位置，仿真與試驗結果對比

結論與效益

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

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計打下堅實基礎。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力導致的開裂，熱機耦合導致的失效，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，預計可以節(jié)約成本數百萬元。

龔慧靈

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

在航空復合材料結構、汽車輕量化結構分析領域工程具有豐富經驗，支持&參與的項目涵蓋：航空復合材料結構失效分析、CFRP結構固化回彈評估、SFRP部件沖擊失效及NVH分析等。