車用增強(qiáng)塑料的力學(xué)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(jìn)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(zhǔn)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(tái)，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(jì)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。玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料具有密度小、韌性高、成型快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、電子電器等領(lǐng)域廣泛使用。玻纖增強(qiáng)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(huì)存在差異，進(jìn)而影響產(chǎn)品的最終性能。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)玻纖增強(qiáng)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(duì)復(fù)合材料尾門內(nèi)板的沖擊性能進(jìn)行分析應(yīng)用?；诤？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(shí)現(xiàn)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確仿真。同時(shí)，注塑工藝中的熔接線也會(huì)使材料強(qiáng)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(jì)入熔接線對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)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(yàn)樣件，即0°、45°、90°，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1. 準(zhǔn)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(cè)沖擊響應(yīng)，還需要考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)。為此，測(cè)試了三種玻纖取向的3個(gè)應(yīng)變率（1/s，20/s，200/s）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，其中玻纖取向0°試件各應(yīng)變率下的測(cè)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(duì)強(qiáng)度的影響，制備試樣時(shí)，在中心位置注塑形成熔接線。樣件尺寸參考ISO 527 1A標(biāo)準(zhǔn)，厚度為4mm。通過拉伸試驗(yàn)獲得熔接線的強(qiáng)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(dòng)化擬合工具。本文基于0°, 45°, 90°拉伸試驗(yàn)結(jié)果，通過材料逆向工程得到基體和增強(qiáng)相的彈塑性材料本構(gòu)參數(shù)。

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

圖4. 材料逆向建模結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比：（a）準(zhǔn)靜態(tài)拉伸；（b）動(dòng)態(tài)拉伸

最后，基于不同應(yīng)變率條件下的測(cè)試結(jié)果，利用材料逆向工程得到基體和增強(qiáng)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(zhǔn)靜態(tài)拉伸、失效以及動(dòng)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(duì)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(yàn)工況加載如圖6所示：尾門內(nèi)板在鉸鏈以及鎖位置處進(jìn)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(yàn)加載示意圖

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

圖7. 仿真和試驗(yàn)情況下，沖擊塊的位移-時(shí)間歷程曲線

同時(shí)，也對(duì)比了仿真及試驗(yàn)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(zhǔn)確的預(yù)測(cè)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(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)論與效益

本案例結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)復(fù)合材料試驗(yàn)，利用Digimat逆向參數(shù)識(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(cè)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(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品力學(xué)性能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)方面的能力。

以上工作提升了CAE的求解精度，為玻纖增強(qiáng)材料零件的精準(zhǔn)輕量化設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，Digimat的引入也將提升物理試驗(yàn)的一次通過率，縮短開發(fā)周期。針對(duì)玻纖增強(qiáng)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(jī)耦合導(dǎo)致的失效，以及各項(xiàng)異性材料的蠕變和耐久問題。

以一個(gè)項(xiàng)目玻纖增強(qiáng)材料的零件輕量化10%，量綱10萬輛，開發(fā)5個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算，預(yù)計(jì)可以節(jié)約成本數(shù)百萬元。