基于Digimat复合材料分析平台的SFRP性能分析

基于Digimat复合材料分析平台的SFRP性能分析报告大纲(参考项目)公司及产品介绍轻量化与复合材料Digimat针对SFRP材料的解决方案SFRP零部件的Digimat耦合仿真案例Valeo短切纤维增强塑料汽车发动机散热器仿真VolveSFRP前端模块冲击仿真基于Digimat的SFRP结构NVH分析SFRP电子连接器性能仿真分析DigimatSFRP材料脊柱椎间盘设计仿真Digimat典型客户介绍公司以及产品介绍e-Xstream工程公司成立于2003年，专注于复合材料的高质量建模领域2012年9月加入MSC，成为MSC全资子公司在欧洲拥有两个办公室，并派驻MSC全球多个办事处目前团队总计60余人PhD：50%工程师：90%全球拥有400家以上的客户营业额持续高速增长是一个非线性多尺度材料建模平台用在材料工程结构工程行业材料供应商Tier1(材料用户/任何行业)OEM(材料用户/任何行业)来进行

材料工程计算准确高效的对复合材料结构进行FEA分析DIGIMAT,材料建模平台轻量化与复合材料发展概况与事实:19952005:汽车平均重量增加17%(1118kg1310kg)每增重200kg燃料消耗增加18%(4.8l/100km5.7l/100km)目标:2020年前实现减重200kg或减少15到20gCO2/km塑料部件:内饰,引擎罩,…采用先进CAE/材料建模进行优化优化设计减少厚度部件合并金属部件:平台，客舱框架，蒙皮，...优化材料的组合使用塑料复合材料铝合金轻量化与复合材料8短纤维增强塑料短切长纤维增强热塑材料编织复合材料混合复合材料CNT发泡材料（Mucell）UD不连续纤维增强材料（SMC）MMC&CMCDigimat，独特的复杂材料建模解决方案8Digimat结合材料工艺微观结构与性能工艺

材料

结构MaterialProcessingDrapage,AFP,PCMHP-CRTMMaterialMicrosturcureContinuousfibers:UD/WovenNano,...MaterialChracteristics

MechanicalThermalElectric,...StructuralPerformance-Stiffness-Fatigue,…MaterialProcessing

InjectionmoldingCompressionmodlingD-LFTMaterialMicrosturcureChoppedfibersNano,...MaterialChracteristicsMechanicalThermalElectric,...StructuralPerformanceStiffnessStrengthFatigue,……Digimat针对SFRP材料的解决方案一个实例雷诺汽车前段模块材料：长玻纤增强PP（PP-LGF40）SFRP零部件仿真中的问题注塑过程对纤维分布的影响以Moldflow为例SFRP零部件仿真中的问题注塑方案纤维排向纤维排布差异导致材料性能在结构上的不均匀SFRP零部件仿真中的问题13短纤维增强塑料的非线性性能预测基于纤维、树脂的力学性能材料模型包含各向同性和各向异性本构包含多种常用的非线性本构：线弹性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑、超弹等可考虑温度对材料性能的影响基于微观结构信息：纤维长度、含量、排向等预测材料刚度和应力应变曲线基于均匀化算法计算，求解速度<1秒，可实现对结构上每个积分点独立计算材料性能，实现对材料不均匀性的考虑DIGIMAT先进的平均场均质化材料模型主要针对短切纤维增强塑料材料的材料模型库；2018版Digimat-MX中目前包含270种牌号的材料用户可直接在CAE分析中使用库中的材料模型纤维类型包含：玻璃纤维、碳纤维树脂类型包含：PA6、PA66、PA12、PP、PBT、PEEK、PEAK、POM、PEI、PPA、PPS等众多欧美知名材料供应商为Digimat-MX提供了材料数据e-Xstream通用材料模型针对使用其他材料供应商材料的客户基于CAMPUS发布的公开数据纤维：玻璃纤维和碳纤维树脂：PA、PP、PBT、POM、PEI、PEEK根据不同厂商提供的数据得到平均数据DIGIMAT丰富的材料模型库工艺结果映射到结构网格上纤维方向残余应力温度场熔接线位置DIGIMAT工艺仿真结果映射模流分析网格结构分析网格材料模型在CAE中的调用——以MarcMentat为例DIGIMAT与有限元软件的直接接口添加Digimat材料模型文件添加纤维方向映射结果选择对应的Section替换模型上已有的材料DIGIMAT与有限元软件的直接接口支持几乎所有的主流模流软件和结构有限元软件Digimat对主流模流软件和有限元软件都有直接的数据接口耦合分析工作流整合解决方案——Digimat-RP短切纤维（短纤维、长纤维）增强塑料模流工艺（Injection、Compressioninjection）3D模型耦合分析Digimat增强塑料一体化仿真平台RP20有限元模型材料定义纤维方向映射提交有限元软件计算NVH线弹性刚度弹塑性温度相关冲击失效弹粘塑性应变率相关SFRP失效模型蠕变粘弹弹粘塑耐久性DIGIMAT涵盖了改性塑料零部件的多种性能分析Digimat针对SFRP零部件的仿真案例汽车发动机散热器短切纤维增强塑料汽车发动机散热器仿真Courtesyof工况一:由上向下破坏平均力=2350N工况二:由下向上破坏平均力=2080N试验结果破坏Courtesyof图片所显示为:工况一

仿真需要能够捕捉工况一与工况二之间失效载荷的差异Courtesyof等效材料方法:工况一，首次尝试材料属性来自于经典的实验室测试数据高估了破坏载荷:4033N结构FEA模型Courtesyof对应力/应变曲线施加系数……直到算出正确的失效载荷对阵这个工况，经过了几次系数调整的迭代，得到-40%的系数才能够匹配正确的所测得的失效载荷如果改变工况会怎样？调整等效材料模型再进行FEA分析Courtesyof材料参数:调整应力/应变曲线调整后等效FEA预测:2356N

与实际测试大相径庭!

调整后的材料模型不够实用所测得的失效载荷:2080N工况二–使用调整后的等效材料参数注塑模流仿真CourtesyofCourtesyofDigimat-RP,流变-结构耦合仿真平台利用Digimat进行结构仿真CourtesyofVolvo汽车公司利用Digimat进行SFRP材料建模他们有以下几方面研究半结构部件注塑模主要用于降低制造成本减少生产时间减重设计自由化这个例子中的零部件是前端支架用与新VolvoXC90平衡部件性能行人保护静强度VolveSFRP前端模块冲击仿真Courtesyof所选择的材料分别进行了准静态和动态拉伸测试，并包含失效参数Courtesyof弹塑性与应变率相关材料参数校准CourtesyofVolve仿真了注塑过程，并利用DigimatMAP进行了模流结果局部纤维方向到结构网格的映射传递，并考虑到skin-core效应短纤维增强塑料3点弯曲非对称3点弯准静态工况CourtesyofCourtesyof动态工况二Courtesyof显示了在LS-Dyna/Digimat中的刚度和渐进失效的可预测性2准静态工况2个动态负载箱DurethanBKV30的Digimat材料参数已从极限测试数据中确定更完整的测试程序将产生更高的参数置信度完全碰撞装载（行人）在一个组件中利用Digimat局部各向异性替换各向同性模型，3-5％的计算成本的增加分析结论原始各向同性材料计算结果SFRP电子连接器性能仿真分析RealPartCADModelStructuralMeshIsotropictempdependMaterialDataElementMeshIsotropicFEResponse注塑模流仿真结果连接器性能分析利用Digimat消除了E&E元器件的误差连接器性能分析NonlinearstructuralresultsaccountingforanisotropyDigimatNonlinearMaterialLawaccountingforFiberOrientationsFiberOrientationsCLOSINGTHEGAP脊柱损伤和脊柱椎间盘的逐渐恶化是导致背部疼痛和脊柱疾患的主要原因。目前,治疗这些疾病最有效的方法是通过外科手术。其中最有希望的手术选择之一是使用人工植入物来取代病人的天然脊柱。这些人工椎间盘所使用的材料是这一技术发展的一个重要因素。椎间盘必须由安全植入人体的材料制成,不引起过敏反应,也具有耐磨性,并与医学成像(例如mri)兼容。由于其耐磨性和改良的机械性能，纤维增强塑料和弹性体越来越多的使用在目前的骨科植入当中

。在设计植入材料的过程中所面临的挑战是能够利用由于制造工艺来形成的材料的柔性性能。用纤维增强塑料设计的植入物的力学性能可能因材料(即纤维和基体)的性质和制造过程而不同。DigimatSFRP材料脊柱椎间盘设计仿真Digimat可以对纤维增强塑料等材料的材料行为进行了更精确的预测。首先对植入物模型进行注塑仿真分析,以优化制造过程中用于创建植入物。该分析结果可用于用Digimat进行有限元分析,建立耦合模拟。这可以通过将纤维取向、残余温度和残余应力映射到结构分析模型。下一步是使用Digimat提供的工具选择或创建增强塑料的材料模型。Digimat材料模型是纤维方向的函数,而不是静态值。使得Digimat在整个注塑模拟结果中,在每个积分点调整材料刚度。最后,将分析正常进行,除了材料刚度值将由Digimat材料模型代替。设计人员可以专注于设计植入体的性能，而不是猜测哪种材料属性会有最佳性能。脊柱椎间盘设计仿真脊柱椎间盘设计仿真对材料细节的关注会得到更精确的模拟,从而减少测试/分析迭代并改进性能预测。在Medicrea设计的情况下,原始的各向同性模拟与实验相比过预测植入体的刚度高达170%!同样的模拟使用Digimat材料模型,既考虑了纤维取向的变化,也考虑了塑料变形,几乎完美地匹配了测试结果。Digimat能够预测刚度和阻尼并考虑局部纤维方向利用NastanSOL1XX在Digimat-RP中计算NVH目前还支持Marc（或Abaqus）的谐响应分析使用粘弹性(viscos-elastic)Digimat材料模型基于Digimat的SFRP结构NVH分析Digimat-RP/moldex3D:行驶载荷工况顶盖前横梁壳模型顶盖前横梁频率响应情况:点驱动两种可能的纤维取向,以显示局部取向如何影响谐响应浇口

位置1浇口位置2有限元模型Digimat粘弹材料模型Digimatrp/Moldex3D提供了快速纤维方向估计的功能纤维方向张量映射到结构网格上预测激励频率和峰值利用确保频率和局部光纤方向依赖性Digimat:根据注塑过程预测完全振动行为Isotropic:与注塑过程无关联需要保守设计,以确保达到设计目标最终导致过设计Anisotropicassumptioncanleadtoverydifferentcon