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Simcenter 3D用于長纖維復(fù)合材料耐久性開發(fā)

2020-02-15 21:04:41·  來源：Simcenter 3D Online  作者：李建輝  
　
(一)復(fù)合材料疲勞分析概述復(fù)合材料具有比金屬好得多的疲勞性能。金屬中疲勞損傷的擴(kuò)展往往比較迅速，破壞非常突然；而復(fù)合材料從產(chǎn)生疲勞損傷到發(fā)生疲勞破壞往往
(一)   復(fù)合材料疲勞分析概述
復(fù)合材料具有比金屬好得多的疲勞性能。金屬中疲勞損傷的擴(kuò)展往往比較迅速，破壞非常突然；而復(fù)合材料從產(chǎn)生疲勞損傷到發(fā)生疲勞破壞往往要經(jīng)歷一段相對較長的損傷積累過程；金屬對缺口、開孔等應(yīng)力集中比較敏感，而復(fù)合材料則要遲鈍得多，如下圖。因此，復(fù)合材料的疲勞分析方法完全不同于金屬疲勞分析。
(二)  長纖維復(fù)合材料疲勞分析
西門子提供復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的完整解決方案：包括復(fù)合材料的靜強(qiáng)度，漸進(jìn)損傷、疲勞耐久，以及碰撞沖擊分析等。對于復(fù)合材料疲勞分析，西門子開發(fā)了自己獨特的方法兼顧復(fù)合材料疲勞求解精度和效率，并提供短纖維和長纖維復(fù)合材料疲勞求解功能。
 
長纖維復(fù)合材料是通過不同的方法如電纜包覆、在線擠出等方法，和PP、PA、PET等樹脂復(fù)合，用長纖維替代原來的短纖維，得到復(fù)合材料粒料或板材。纖維長度一般在2mm以上，甚至達(dá)到10mm，因此長纖維復(fù)合材料相比短纖維復(fù)合材料有更好的疲勞性能，而且抗沖擊、抗蠕變性更好，抗熱性能也更優(yōu)異。其疲勞計算理論與短纖維復(fù)合材料有本質(zhì)的區(qū)別。
 
長纖維復(fù)合材料因其特殊性，載荷加載過程造成的剛度衰減更加復(fù)雜。為完整考慮復(fù)雜載荷作用下真實損傷過程。西門子復(fù)合材料疲勞模塊采用Van Paepegem和Degrieck針對不同載荷形式提出了一種剩余剛度退化模型。采用先進(jìn)非線性有限元求解器計算剛度退化過程中的應(yīng)力重分布。為解決實際工程中模型規(guī)模問題，西門子開發(fā)了滯回算子方法的周期跳變算法（已獲歐洲專利）等，從而兼顧了計算的精度和效率。
 
由于本文主要介紹長纖維復(fù)合材料仿真特點，因此無特殊說明后文中所提到的復(fù)合材料均指長纖維復(fù)合材料。簡單介紹長纖維復(fù)合材料分析流程如下：
1       材料試驗
除基本的復(fù)合材料參數(shù)外，耐久性分析過程中重要的一項試驗曲線是剛度衰減曲線，通常對比金屬材料而言，復(fù)合材料由于纖維的存在并不會在出現(xiàn)初始裂紋的初期就會發(fā)生剛度失效，而是逐漸損失剛度直到不滿足剛度要求為止。
 
由于復(fù)合材料特性參數(shù)同時受微觀和宏觀特性影響，因此其剛度衰減試驗比常規(guī)疲勞材料試驗要復(fù)雜一些，需要針對不同的材料和鋪層進(jìn)行一組三點彎曲耐久性試驗，識別出 15 個參數(shù)，然后導(dǎo)入軟件材料屬性中。雖然過程并不復(fù)雜，但由于工業(yè)應(yīng)用中復(fù)合材料種類繁多并無定制，且無通用數(shù)據(jù)庫參考，因此難點在于企業(yè)需要基于自身材料類型進(jìn)行大量基礎(chǔ)試驗建立復(fù)合材料耐久材料庫。這方面西門子專家豐富的經(jīng)驗知識可以提供很大支持。
 
復(fù)合材料剛度衰減試驗
2       應(yīng)力計算
應(yīng)力計算是剛度更新重要的一步。與傳統(tǒng)SN方法一樣，應(yīng)力的分布會直接決定損傷的大小。但不同的是，SN方法應(yīng)力僅需計算一次，整個耐久過程剛度幾乎不變，而復(fù)合材料耐久歷程中剛度是不斷衰減的。因此理論上講每一次循環(huán)造成一定損傷后就需要重新更新剛度，再次計算應(yīng)力分布，為下一次循環(huán)做準(zhǔn)備。值得慶幸的是剛度的更新過程是完全自動化的，應(yīng)力計算過程僅需配置一次即可。西門子Simcenter提供完整的復(fù)合材料強(qiáng)度、耐久完整解決方案，統(tǒng)一的環(huán)境可覆蓋整個計算過程。
3       載荷預(yù)測
實際上尤其對汽車和航空行業(yè)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和金屬結(jié)構(gòu)件一樣，所受的載荷很少有完全規(guī)律的周期性變化，大多數(shù)情況是近似隨機(jī)的?？紤]真實載荷環(huán)境可以有效減少結(jié)構(gòu)的過設(shè)計，降低冗余質(zhì)量，這也是復(fù)合材料應(yīng)用的重要意義。在西門子復(fù)合材料計算方法中可以充分考慮變載荷下的剛度衰減，因此傳統(tǒng)汽車耐久性開發(fā)的理論和流程仍可以應(yīng)用到復(fù)合材料耐久性的開發(fā)過程。
4       周期跳變和滯回算子
復(fù)雜的載荷環(huán)境必然造成剛度更新的計算量急速增加。為此在復(fù)合材料疲勞分析過程中，Simcenter 3D疲勞求解器會根據(jù)剛度衰減程度（基于剛度衰減曲線）判斷是進(jìn)行應(yīng)力修正還是重新調(diào)用后臺非線性有限元求解器進(jìn)行新一輪的應(yīng)力求解。整個應(yīng)力修正和重新提交過程嵌入疲勞分析流程中。這里面的專利技術(shù)包括：
經(jīng)過驗證的周期跳算算法：提高效率
•       測試及計算對象為板層結(jié)構(gòu)
•       允許層間的優(yōu)化
•       對于變幅載荷不需要重新試驗
•       考慮剛度衰減及應(yīng)力重分布
經(jīng)過驗證的滯回算子方法：提高精度
•       可以考慮剛度損失，又可以考慮疲勞強(qiáng)度損失的唯一高效方法。具有與SN曲線法基本相同的高效率。
經(jīng)過驗證的專利的周期跳算法，可兼顧精度和效率，可考慮長纖維/短纖維的復(fù)合材料漸進(jìn)損傷過程，適合工程應(yīng)用。
5       疲勞損傷計算
疲勞求解器采用時域非線性損傷累積方法進(jìn)行疲勞損傷壽命預(yù)測?？煽紤]剛度衰減，可考慮預(yù)損傷的影響。這是一個真正可以考慮真實工況載荷和耐久性的仿真方法。以下是某主機(jī)廠做的一個仿真和和試驗的對標(biāo)
a.    強(qiáng)度分析
從確定的材料參數(shù)開始，Simcenter3D即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，下圖展示的是復(fù)合材料在擠壓環(huán)境下強(qiáng)度分析結(jié)果（上）與試驗結(jié)果的對比（下）
b.    應(yīng)力重構(gòu)
在耐久性計算過程中不斷更新剛度和應(yīng)力重構(gòu)。計算結(jié)果如下圖所示：
c.    剛度損失曲線
分別采用試驗的方式做了多組剛度測試試驗，采用了西門子提供的參數(shù)辨識方法擬合的剛度衰減曲線與試驗做了對比，結(jié)果貼合的比較好。
 
(三)  總結(jié)
西門子致力于復(fù)合材料耐久性開發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)讓，使客戶單獨使用預(yù)測模型來設(shè)計更輕和更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。通過在一個虛擬環(huán)境使用最少的材料試驗建立預(yù)測模型,充分挖掘復(fù)合材料的巨大潛力，減少物理測試。
作為仿真平臺，Simcenter 3D可以覆蓋復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)計、制造、強(qiáng)度、耐久、振動噪聲仿真等各個方面，其中復(fù)合材料疲勞模塊特點如下：
  1. 預(yù)測疲勞失效發(fā)生的循環(huán)數(shù)，可針對編織物，單向復(fù)合層，或者NCF，玻璃纖維或碳纖維加強(qiáng)復(fù)合材料
  2. 預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個疲勞壽命期間剛度變化和應(yīng)力重分布
  3. 支持固定的，變化的（塊載荷）和隨機(jī)載荷幅值，包括單軸和多軸（非比例）載荷，更適用于工程場景。
  4. 有能力進(jìn)行高效的板層優(yōu)化，對于利用復(fù)合材料全部潛能做設(shè)計，
  5. 使用更少的測量數(shù)據(jù)考慮部件的全壽命，充分利用復(fù)合材料好的疲勞行為，允許預(yù)測嚴(yán)重破壞。避免過設(shè)計，最大程度減重。 
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