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汽車內(nèi)飾件結(jié)構(gòu)分析中的微觀結(jié)構(gòu)考量——用 Digimat-RP 優(yōu)化工作流程

2020-01-17 17:27:09·  來(lái)源：MSC軟件  
　
1927 年，F(xiàn)ranz Schneider 博士成立了一家公司，并最終以自己的名字為它命名。如今，該公司在全球擁有 4,000 名員工，年產(chǎn)值約 5 億歐元。目前已成為德國(guó)一級(jí)汽
1927 年，F(xiàn)ranz Schneider 博士成立了一家公司，并最終以自己的名字為它命名。如今，該公司在全球擁有 4,000 名員工，年產(chǎn)值約 5 億歐元。目前已成為德國(guó)一級(jí)汽車供應(yīng)商，而且正致力于將業(yè)務(wù)拓展至其他地區(qū)。我們專注于汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)備，旨在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新、質(zhì)量及美學(xué)的統(tǒng)一。我們主要關(guān)注四個(gè)領(lǐng)域——汽車內(nèi)飾系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、內(nèi)飾表面處理及車內(nèi)部件。我們的工程專業(yè)知識(shí)涵蓋工具制造、設(shè)備制造、注塑技術(shù)、涂裝技術(shù)及裝配技術(shù)。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，聚合物和塑料也是非常重要的一塊業(yè)務(wù)。優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和卓越工程是我們的靈魂。
 
在生產(chǎn)聚合物產(chǎn)品時(shí)，我們所面臨的一大挑戰(zhàn)是要建立起制造工藝與結(jié)構(gòu)分析仿真之間的聯(lián)系。我們需要將生產(chǎn)工藝涉及到的產(chǎn)品屬性作為汽車計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真的標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用過(guò)程中，必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)證明有限元分析（FEA）仿真的準(zhǔn)確性。因此我們選擇 MSC 軟件的 Digimat 對(duì)纖維增強(qiáng)塑料（FRP）進(jìn)行仿真。但是，要想獲得非常準(zhǔn)確的有限元分析預(yù)測(cè)，就需要細(xì)致的聚合物材料模型，尤其是在無(wú)法從供應(yīng)商處獲得確切的材料數(shù)據(jù)時(shí)。這正是 Digimat 在制造塑料零件方面大顯身手之處。通過(guò)案例研究，我們將展示自己的 CAE 建模團(tuán)隊(duì)如何利用來(lái)自國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)塑料材料輸入對(duì) FRP 汽車內(nèi)飾件進(jìn)行仿真：首先采用商用有限元分析解算器，然后采用 Digimat 的結(jié)構(gòu)分析求解器和集成材料數(shù)據(jù)庫(kù)（見(jiàn)圖1）。我們確定了作用在零件（需要在Digimat 中進(jìn)行檢查）上的兩種分別為 140N 的負(fù)載情況（圖 2）。我們指定了兩個(gè)場(chǎng)景，分別稱之為“過(guò)去”（利用可以從標(biāo)準(zhǔn)文本和數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得的材料屬性進(jìn)行有限元分析仿真）和“現(xiàn)在”（利用從 Digimat 及其微觀結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的材料屬性進(jìn)行有限元分析仿真）。
圖 1.纖維增強(qiáng)塑料零件的幾何形狀
圖 2.FRP 零件有關(guān)的兩種負(fù)載情況
圖 3 所示為采用 Durethan 制造的 FRP 零件的材料屬性，我們首先利用國(guó)際塑料數(shù)據(jù)庫(kù)的力學(xué)屬性用商業(yè)有限元分析代碼進(jìn)行仿真。根據(jù)以往的有限元分析經(jīng)驗(yàn)，我們將這些力學(xué)屬性降低 20% 左右。圖 4 中顯示了針對(duì)選定的不同單元類型所得出的結(jié)構(gòu)分析預(yù)測(cè)，其峰值位移范圍為 11 至 29 mm。將 Durethan 的材料屬性改為曲線時(shí)（即之前從標(biāo)準(zhǔn)化試塊的拉伸試驗(yàn)中獲得的曲線），峰值位移變?yōu)?3 mm 左右（圖 5）。
圖 3.來(lái)自 FRP 零件國(guó)際塑料數(shù)據(jù)庫(kù)的材料屬性輸入
圖 4.采用國(guó)際塑料數(shù)據(jù)庫(kù)輸入和一階、二階及殼單元進(jìn)行 FRP 零件的有限元分析位移預(yù)測(cè)
圖 5.FRP 零件采用來(lái)自 Digimat 內(nèi)部專有數(shù)據(jù)庫(kù)的材料數(shù)據(jù)
因此，由以上情況可以看出，力學(xué)屬性輸入對(duì)于有限元分析預(yù)測(cè)能否得出正確的位移有著至關(guān)重要的作用。為檢查預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的實(shí)際接近程度，我們?cè)谏鲜鰞煞N負(fù)載情況下對(duì)真實(shí)的零件進(jìn)行了測(cè)量（圖 6），發(fā)現(xiàn)第 1 種情況的關(guān)鍵位移為 21.6 mm，第 2 種情況為 19.6 mm。
圖 6.在兩種負(fù)載情況下 FRP 零件實(shí)驗(yàn)測(cè)得的位移曲線
圖 7 至圖 10 所示為利用 Digimat 自帶的材料微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料輸入數(shù)據(jù)對(duì)同樣的 FRP 零件進(jìn)行仿真，通過(guò) Digimat RP 得出的預(yù)測(cè)應(yīng)力和位移的預(yù)測(cè)結(jié)果。將采用來(lái)自國(guó)際塑料數(shù)據(jù)庫(kù)中材料屬性的“過(guò)去”有限元分析解算器預(yù)測(cè)，與采用新增加的材料屬性曲線的“現(xiàn)在”Digimat RP 有限元分析預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，可明顯看出：在第 1 種情況下，Digimat 預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的誤差不超過(guò) 0.21 mm；而在第 2 種情況下則不超過(guò) 1.22 mm。與我們過(guò)去所采用的有限元分析法相比，Digimat 的偏差分別比以前縮小了 10 倍（1000％）和 4 倍（400％）。
圖 7.FRP 零件采用來(lái)自 Digimat 內(nèi)部專有數(shù)據(jù)庫(kù)的材料數(shù)據(jù)
圖 8.在 Digimat RP 中對(duì) FRP 零件進(jìn)行仿真
圖 9.用 Digimat RP 對(duì)第 1 種負(fù)載情況（左）和第 2 種負(fù)載情況（右）下 FRP 部件的位移進(jìn)行預(yù)測(cè)
圖 10.針對(duì)上述兩種負(fù)載情況下的 FRP 部件，將過(guò)去的有限元分析預(yù)測(cè)、現(xiàn)在的 Digimat 預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果做對(duì)比
總結(jié)與結(jié)論
通過(guò)我們對(duì)一個(gè)纖維增強(qiáng)塑料汽車內(nèi)飾零件的研究可以看出，要想準(zhǔn)確預(yù)測(cè)負(fù)載情況下的位移，就必須設(shè)法建立起工藝與結(jié)構(gòu)仿真之間的聯(lián)系。我們將生產(chǎn)工藝涉及到的產(chǎn)品屬性考慮在內(nèi)，這些產(chǎn)品屬性必將成為汽車工業(yè)計(jì)算機(jī)輔助工程仿真工具（如有限元分析）的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，我們用實(shí)驗(yàn)證明了 Digimat RP 在纖維增強(qiáng)塑料結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的分析準(zhǔn)確性。我們認(rèn)為，將材料建模技術(shù)引入到結(jié)構(gòu)分析中（例如引入到 Digimat 中），即便供應(yīng)商未提供精準(zhǔn)的仿真材料數(shù)據(jù)，也一定能夠改進(jìn)塑料零件的質(zhì)量。
 
 
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