基于模流-结构联合仿真的塑件力学性能宏细观预测PPT课件

1、基于模基于模流流-结构联合仿真的塑结构联合仿真的塑件力学性能宏件力学性能宏细细观预观预测测星星充电星星充电 | 创新中心创新中心 | 江丙云江丙云 博士博士目录目录注塑-结构联合仿真方法样条试验和多尺度结构特征细/介观尺度建模及参数标定联合仿真的解析模型和试验验证注塑-结构联合仿真的工程应用总结2CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真方法联合仿真方法 产品精密化和轻量化设计成为趋势，玻纤复材用以“以塑代钢”且易于量产 受制造工艺特别是玻纤的影响明显，玻纤复合材料性能和产品刚强度的结构性能预测，较为困难汽车零部件的玻纤取向分布 轻量化设计要求精准预测性能

2、电子连接器及其玻纤取向分布 精密化设计要求精准预测性能3CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真方法联合仿真方法玻纤填充复合材料 玻纤复材产品受成型工艺影响，极玻纤复材产品受成型工艺影响，极其其明显明显 玻纤复材产品的玻纤取向复杂，难玻纤复材产品的玻纤取向复杂，难预预测测 同一位置材料各向异性，非均匀分同一位置材料各向异性，非均匀分布布（不（不同同位置）位置） 玻纤复材产品的断裂失效判断，判玻纤复材产品的断裂失效判断，判据据不一不一 现有解析和仿真分析，预测能力和现有解析和仿真分析，预测能力和精精确受限确受限 需采用需采用“细观构造细观构造-成型工艺成型

3、工艺-力学性能力学性能”集集成模成模型型，提，提高高预测预测精精度度4CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真方法联合仿真方法5CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE分类分类进展进展本构关系试验和仿真1. 本构关系：J.D.Eshelby应力等效法、Voigt和Reuss平均模型、R. Hill和B. Budiansky自洽模型、Mori-Tanaka均化场方法、20112015年，I. Doghri和L. Delannay延伸至玻纤复材的两步均化（Two-step MFH）计算2. 失效模型：Tsai-Hill 3D3

4、. 试验：ISO527-4、GB/T 1040.4、ASTM D638等，公式拟合试验测试结果4. 有限元仿真：RVE建模作细观因素影响趋势，以及简单试件结构性能仿真成型工艺细观构造1. 注射成型工艺的应用较为成熟，但成型过程的玻纤方向、长度的控制困难2. 细观构造内的玻纤分布复杂且体积“团聚”，对其测量常采用断面拍摄二维 图像，近年过渡到CT扫描重构3D图像3. 工艺成型仿真较为普遍，但存在较大的玻纤取向预测误差多尺度预测工程应用1. 成型工艺对产品结构强度影响巨大，多数学者从试验方面做玻纤长度、含量对机械性能的影响研究。2. 工艺和结构性能的集成预测，大多是基于预设的固定玻纤取向。3. 作

5、者参与金发和华为、德尔福、富士康、广汽和长安等公司的GFRP材料性 能的性能预测开发，指导了电子精密器件的精准化、汽车设计的轻量化联合仿真方法联合仿真方法 玻纤取向分布从成型工艺传递到结构预测模型尤为困难 各向异性非线性受玻纤影响非常明显，每个区域或点都定义为单一的材料表征困难 缺乏成熟且广泛适用的预测方法和模型，并能够解决工程实际问题（1 1）缺缺少少“细观构造细观构造- -成型成型工工艺艺- -结构结构性性能能”集集成预成预测测模型模型 玻纤取向的量测，较少采用CT扫描，同时缺乏扫描试件的制作标准及三维重构方法 宏观性能试验的各向异性试件的取样，同样缺乏具体标准，且未经仿真与CT校核细观和

6、介观RVE，对玻纤的重构未能够充分考虑厚度分层“团聚”特性，且缺乏细观到介 观再到宏观模型的直接联系（2 2）缺少细观构造和）缺少细观构造和结结构性构性能能的表的表征征方法方法 适用于GFRP的各向异性性能和失效准则模型较少，缺乏更多的工程验证 正向建模预测，现有研究是把玻纤、基材及玻纤纵横比等设为定值 未能充分考虑成型过程中的参数变化，缺少对RVE模型和材料本构中的参数优化（3 3）缺少材料本构和）缺少材料本构和预预测模测模型型的参的参数数标定标定方方法法6CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真方法联合仿真方法 细观尺度（Micro-scale）具有

7、相同规律的纤维分布 介观尺度（Meso-scale）包含纤维 “团聚”或分层现象， 宏观尺度（Macro-scale）为复合材料产品介观 Mesoscale宏观 Macroscale细观 Microscale玻纤复合材料的多尺度特征7CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真方法联合仿真方法“细观构造-成型工艺-结构性能”多尺度预测细观测量和RVE解析材料本构材料参数反求标定结 构 模 型 工 况 条 件 力学性能成 型 仿 真 C T 校 核 玻纤取向细细 观观 构构 造造成成 型型 工工 艺艺结结 构构 性性 能能玻纤取向张量映射确定成型工艺细观/介观

8、RVE8CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE 映射玻纤取向张量至结构仿真模型，作为局部材料的赋值基础 应用细观/介观RVE模型和材料本构的解析方法，计算出与玻纤取向相关的材料性能 = + inf1 Tsai-Hill 3D横观各向同性失效判断取向张量Two-step MFH样条试验和多尺度结构特征样条试验和多尺度结构特征 注射样板和试件制备注射样板和试件制备 0、45、90样条和CT扫描件的中心位于样板的同一位置，使玻纤取向稳定注射板9CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE注射模具拉伸样条制备CT扫描件制备样条试验和多尺度结

9、构特征样条试验和多尺度结构特征 样条拉伸和试验结果 各向异性非常明显；玻纤轴线往拉伸方向旋转。切割的样条各向异性曲线样条断裂前后玻纤移动（45样条，x1000）10CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE样条试验和多尺度结构特征样条试验和多尺度结构特征 CT扫描和结果NanoVoxel-4000 CT仪器和扫描腔扫描对象和指定断层位置11CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE样条试验和多尺度结构特征样条试验和多尺度结构特征 玻纤以中层面呈对称分布。中间层玻纤取向约垂直于流动方向。玻纤以中层面呈对称分布。中间层玻纤取向约垂直于流动

10、方向。 玻纤呈现一定的玻纤呈现一定的“团聚团聚”现象现象不同厚度位置的断面图(a)Z=0.075；(b)Z=0.475；(c)Z=0.785；(d)Z=0.865；(e)Z=1.185；(f)Z=1.57512CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE样条试验和多尺度结构特征样条试验和多尺度结构特征13CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE CT扫描和结果二维断面重构三维图像厚度位置vs.玻纤取向张量 靠近模具型腔壁处的表层存在较大的流动剪切力 纤维沿流动方向取向且呈现较高的一致性 在芯层流动剪切力较弱，纤维取向的一致性较低 玻纤

11、取向张量具有对称性样条试验和多尺度结构特征样条试验和多尺度结构特征 外表皮层纤维与流动方向一致，约80%厚度，主导机械性能 芯层纤维横向于材料流动方向，一定程度上影响机械性能 沿厚度方向上玻纤含量不均匀，在芯层玻纤含量变化明显厚度位置vs.玻纤体积14CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE样条试验和多尺度结构特征样条试验和多尺度结构特征 Doghri I.和Kammoun S.等提出通用的增量公式和相应的Two-step MFH算法 两步（Two-step）均化过程，能够处理任意阶段的任意率无关模型，不受限基于正切 (或总变形)理论的宏观和 各阶段的单调、比例

12、荷载宏观特征的均质化方法和流程MORI-TANAKA解析有效模量示意步骤1-局部化：从宏观应变的角度计算夹杂 相的应变；步骤2-局部夹杂相性能：基于各相的应变增 加，计算各相的应力增量。步骤3-平均场：基于各相的刚度计算宏观刚度，然后通过宏观应变计算宏观应力。Two-step均匀化方法示意15CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE步骤1，将RVE分解成一系列“伪晶 粒（Pseudo-Grains，PG）”并分别 均质化步骤2，均质化所有“伪晶粒PG”样条试验和多尺度结构特征样条试验和多尺度结构特征16CONNECT THE WORLD CONNECT THE

13、PEOPLE 小结 试件制备注射成型具有预设玻纤取向复合材料长方体样板对其切割获取0、45和90方向的样条，对应中心切割扫描试件。 力学试验和CT扫描对不同方向的样条进行单拉测试，表征复合材料的各向异性非线性CT扫描，获得复合材料的多层玻纤取向张量、体积分数和纵横比等玻纤复合材料性能表征 细观/介观采用RVE模型宏观采用均质化本构：Two-step MFH细细/介观尺度建模及参数标定介观尺度建模及参数标定 RVE建模:玻纤和基材的材料参数基材和玻纤应力-应变曲线 生产中对质量的测量更为方便，GF30表示玻纤质量含量占总重30%，而体积则通过质量和密度加以换算材料密度(t/mm3)弹性模量(MP

14、a)泊松比屈服强度(MPa)质量比例玻纤 GF2.54E-00972000.0树脂 PA661.15E-009屈服应力塑性应变屈服应力塑性应变(MPa)(MPa)15.8030.00072.7890.07036.6220.00572.9250.080树脂49.8010.01073.0280.090PA6663.4430.02073.1170.10068.9460.03073.2840.12071.1950.04073.5260.15072.1420.05073.6880.17072.5700.06073.7930.18317CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPL

15、E细细/介观尺度建模及参数标定介观尺度建模及参数标定 RVE建模:周期性边界条件 周期性边界的前提：几何具备周期周期性边界的前提：几何具备周期性性、网、网格格具备具备周周期性期性 采用等式（采用等式（Equation）约束）约束 周期性边界定义是极为繁琐，应用周期性边界定义是极为繁琐，应用Python脚本脚本程程式式周期性边界条件（2D RVE）4 1 2 = 05 1 1 = 08 1 1 2 = 04 1 2 = 05 1 1 = 08 1 1 2 = 0周期性边界条件（3D RVE）18CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE细细/介观尺度建模及参数标定介

16、观尺度建模及参数标定 RVE建模:后处理-体积平均(b)(a)应变云图应力云图应变-应力体积平均= 1 = 0i, j = 1,2,3= 1 i, j = 1,2,319CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE细细/介观尺度建模及参数标定介观尺度建模及参数标定 单层细观单层细观RVE模型模型样条上的RVE建模区域，相对应的玻纤取向张量（CT扫描）(a)(b)表层和芯层的细观RVE模型，力学性能 表表层层Layer-1较芯层较芯层Layer-3的力学性能高的力学性能高 在受力方向上在受力方向上Layer-1比比Layer-3的玻纤取向更为的玻纤取向更为一一致，致，

17、玻玻纤对纤对复复合材合材料料的增的增强强效果效果更更加明显加明显20CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE细细/介观尺度建模及参数标定介观尺度建模及参数标定 多层介观多层介观RVE模型模型(a)Lay(b)5层取向张量玻纤的RVE，及其有限元求解不同取向的5层RVE 实现了从细观到宏观的结构预测模实现了从细观到宏观的结构预测模型型的直的直 接关联接关联 RVE预测的宏观材料性能和实测值有一定预测的宏观材料性能和实测值有一定的偏差，是由的偏差，是由CT扫描的张量、玻纤扫描的张量、玻纤几几何重何重 构、细观材料参数以及构、细观材料参数以及RVE简化等引起简化等引起

18、(a)21CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE(b)细细/介观尺度建模及参数标定介观尺度建模及参数标定 多层介观多层介观RVE模型的参数标定模型的参数标定 = + + inf1 =15.80 MPa，=8.06，inf=56.51MPa，=91.67PA66的塑性应变和硬化应力材料材料参数参数最小值变量变量 初始值最大值玻纤 GF57600.072000.086400.0 (MPa)66 (MPa)22CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE1312.961641.201969.44 (MPa)12.6415.8018.96树

19、脂 PA66 (MPa)6.458.069.67inf (MPa)45.2156.5167.8173.3491.67110.00参数和变量 材料子程序材料子程序中中定定义义为为6个个参参数数化化可变可变量，量，基基材材应应用用J2本本构构。细细/介观尺度建模及参数标定介观尺度建模及参数标定23CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE 小结 RVE参数的初始标定建立并确定了细观RVE模型的玻纤形状、网格密度和单元类型、周期性边界、约束方 式和RVE尺寸等，并通过对细观模型的进一步研究，分别获得了玻纤长度、含量和取 向对GFRP材料性能的影响。 单层和多层RVE模型

20、的构建建立表层和芯层的单层玻纤RVE细观模型，对比了表层和芯层的结构性能差异，表征出复合材料的“团聚”特性。分别对0、45和90样条上标距内局部区域，建立由多层细观模型组成的介观尺 度模型，实现了细观/介观和宏观之间的多尺度直接联系。 参数迭代标定基于多层玻纤的介观模型与样条拉伸试验结果，建立多目标响应模型，对玻纤和基体 的材料参数进行迭代，优化标定RVE参数联合仿真的解析模型和试联合仿真的解析模型和试验验验证验证 细观RVE分析求解时间较长，对工程中玻纤增强复 材部件，难以推广应用。 基于解析材料本构，构建多尺度的集成预测模型解析本构模型的联合仿真思路环形试件制备和试验测试细/介观 模 型

21、和 初始参数 (第三章)集成 预测 和 逆向 工程环形试件玻纤映射多层介观RVE模型和性能预测集成预测模型的校核工艺 仿真 和 玻纤 映射集 成 预 测 模 型 试 验 验证多目标优化获得初始玻纤和基材参数玻纤GF弹性模量基材PA66弹性模量 线性硬化模量 硬化指数硬化模量 屈服应力工艺仿真映射误差工艺模型-结构模型的玻纤张量映射逆向工程，优化和反求参数结构性能预测和验证24CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真的解析模型和试验验证联合仿真的解析模型和试验验证 映射玻纤取向张量至结构仿真模型，作为局部材料的赋值基础 应用材料本构的解析方法，计算出与玻纤

22、取向相关的材料性能解析材料本构 材料参数反求结构模型 工况条件 力学性能成 型 仿 真 CT校核 玻纤取向细细 观观 构构 造造成成 型型 工工 艺艺结结 构构 性性 能能玻纤取向张量映射确定成型工艺“细观构造-成型工艺-结构性 能”联合仿真预测模型25CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLETsai-Hill 3D横观各向同性失效判断取向张量Two-step MFH联合仿真的解析模型和试验验证联合仿真的解析模型和试验验证 均质化解析计算均质化解析计算参数参数PA66Glass fiber质量含量（%）70.0030.00密度（t/kg3）1.15E-0092.

23、54E-009换算的体积含量（%）84.3515.65CT 扫描的体积含量（%）81.1218.88弹性模量（MPa）1378.6186400.00泊松比0.350.22屈服应力（MPa）18.96线性硬化模量 k（MPa）9.67硬化模量 （MPa）45.21硬化指数110.00直径（mm）0.016长度（mm）0.45纵横比14.0树脂PA66和玻纤GF的材料参数20层玻纤取向张量（CT扫描） 由由于本于本构构解解析析为为简简化计化计算算，且且参参数数为定为定值值， 没没能考能考虑虑到到实实测测样样条复条复合合材材料料中中各各相的相的参参 数数具有具有一一定定范范围围的的变化变化和和夹夹杂

24、杂交交叉叉 逆逆向工向工程程迭迭代代，标标定本定本构构的的解解析析参参数数Two-step MFH计算和试验测试的应力-应变曲线26CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真的解析模型和试验验证联合仿真的解析模型和试验验证27CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE 玻纤取向仿真预测(a)(b)(c)(a)50% 填充;(b)70% 填充;(b)90% 填充 采用采用CT扫描扫描的的方式方式获获取取塑塑件上件上每每个位个位置置 的的玻纤玻纤取取向向，耗耗时时且不且不现现实实， 采采用注用注射射成成型型仿仿真真的方的方法法，获

25、获取取塑塑件单件单元元 上上玻纤玻纤取取向向的的张张量量。仿真和CT扫描所得的玻纤取向张量 张量张量a11、a22和和a33呈呈对对称分称分布布 表层模流仿表层模流仿真真和和CT测测量量一一致致 芯层模流仿芯层模流仿真真和和CT存存在在一一定偏定偏差差联合仿真的解析模型和试验验证联合仿真的解析模型和试验验证 玻纤取向映射样条有限元模型模型定位，积分点值映射映射所得玻纤取向张量28CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE 工工艺仿艺仿真真模模型型的的网网格尺格尺寸寸 和和结构结构模模型型网网格格尺尺寸不寸不一一 致致，且，且单单元元类类型型也也完全完全不不同同。0

26、样条映射前后张量对比联合仿真的解析模型和试验验证联合仿真的解析模型和试验验证 本构解析预测模型：联合仿真仿真的力学性能(a)(b)(c)(d)(e)平均应变为0.049时的A区域应变和应力分布宏观基材玻纤 应应力或力或应应变变分分布布具具有多有多层层特特征征 玻玻纤的纤的多多层层对对称称分分布导布导致致 Two-step解解析析与仿与仿真真模模型型预测预测的的结结果果 一一致性致性较较好好 与与测试测试值值还还存存在在误误差，差，将将通通过过逆逆向向工工 程程优化优化参参数数加加以以调调整整29CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE联合仿真的解析模型和试验验证

27、联合仿真的解析模型和试验验证30CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE 本构解析预测模型的试验验证X横向圆环Y纵向圆环拉伸试验联合仿真的解析模型和试验验证联合仿真的解析模型和试验验证 本构解析预测模型的试验验证预测和试验结果比较圆环试件的失效指标云图分布 X向圆环的断裂从表层开始，逐渐扩展到其余表层和芯层向圆环的断裂从表层开始，逐渐扩展到其余表层和芯层 Y向圆环的断裂从芯层开始，逐渐扩展到其余表层向圆环的断裂从芯层开始，逐渐扩展到其余表层(b)d)(a)31CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE(b)X横向圆环Y纵向圆环联合仿

28、真的解析模型和试验验证联合仿真的解析模型和试验验证 小结 预测模型建立结合成型工艺仿真和玻纤取向映射方法，并应用Two-step MFH本构和Tsai-Hill 3D横观各向同性 失效准则，构建了“细观构造-成型工艺-结构性能”集成的多尺度预测模型。 试验验证以最优参数的集成预测模型，对0、45和90样条性能进行数值模拟求解，校核模型分别对X和Y向切割的环形试件进行结构性能预测和试验，验证结果充分说预测模型的可靠性 参数迭代反求通过玻纤线性、基体线性和非线性三步迭代，获得玻纤GF、基体PA66和玻纤纵横比AR参数。获得Tsai-Hill 3D失效准则的X、Y和S参数，并绘制相应的失效包络图32CONNECT THE WORLD CONNECT THE PEOPLE注塑注塑-结构联合仿真的工程应用结构联合仿真的工程应用方案1：两端四浇口进料方案1：特征向量分布方