復(fù)合多相合成材料和結(jié)構(gòu)物pmc的建模技術(shù)

復(fù)合多相合成材料和結(jié)構(gòu)物pmc的建模技術(shù)

一、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)有限元分析digimat是由e-xstream工程師開(kāi)發(fā)的一套專(zhuān)注于建筑材料性能模擬的軟件。為了整合模型流程分析、結(jié)構(gòu)分析，并獲得一般金元分析所需的組件參數(shù)，提供了一套解決方案。DIGIMAT非線(xiàn)性、多尺度的復(fù)合材料模擬平臺(tái),通過(guò)基體和纖維的材料特性,以及它們之間的微觀結(jié)構(gòu)(纖維形狀、方向和含量等)獲得復(fù)合材料的特性,如應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(圖1)、工程常數(shù)(圖2)、剛度或柔度以及熱膨脹系數(shù)等。近年來(lái),電腦模擬仿真技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,為企業(yè)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提升產(chǎn)品品質(zhì)提供了極大的幫助。機(jī)械、汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)有限元分析,以及模具行業(yè)的模流分析等已深入人心。同時(shí),隨著輕量化、高品質(zhì)化的需求,傳統(tǒng)的金屬材料已不能滿(mǎn)足要求,增強(qiáng)塑料及復(fù)合材料的應(yīng)用變得不可或缺,這就對(duì)采用這些材料的結(jié)構(gòu)有限元分析提出了新的挑戰(zhàn)。比如,如何將增強(qiáng)塑料件的模流分析和結(jié)構(gòu)有限元分析整合以及如何獲取復(fù)合材料件的材料參數(shù),提高CAE分析的置信度,真正實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)塑料件和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元分析,而這些新的挑戰(zhàn)是采用傳統(tǒng)CAE技術(shù)很難完成的。通過(guò)整合數(shù)字化材料樣機(jī)DIGIMAT材料模型與傳統(tǒng)CAE可以很好地解決這一系列難題。二、digimat的應(yīng)用1.實(shí)驗(yàn)條件及影響分析增強(qiáng)塑料是含有增強(qiáng)材料的塑料,是一種高分子復(fù)合材料。增強(qiáng)塑料的性能由基體性能、增強(qiáng)材料性能、增強(qiáng)材料的體積百分比以及增強(qiáng)材料的形狀和實(shí)驗(yàn)條件等共同決定。以增強(qiáng)塑料件為例,結(jié)構(gòu)性能在很大程度上取決于纖維的方向,如進(jìn)澆口(gate)位置的不同,會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,而工藝的影響也不可忽略,如圖3所示。圖4是纖維取向?qū)ζ湓鰪?qiáng)塑料在兩方向拉伸模量的影響,并比較了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DIGIMAT計(jì)算結(jié)果,對(duì)比后發(fā)現(xiàn),采用DIGIMAT估計(jì)值與實(shí)驗(yàn)值約低5%,在誤差允許范圍內(nèi),這樣可以在保證材料性能的基礎(chǔ)上大幅度降低成本。2.digimat材料模型下的cae汽車(chē)行業(yè)是一個(gè)高速發(fā)展的行業(yè),其競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈,在這種情況下,新產(chǎn)品推出的速度也越來(lái)越快,這也對(duì)行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來(lái)越高的要求。CAE技術(shù)為汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價(jià)值地位的技術(shù)保障,可以為企業(yè)帶來(lái)巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。由于復(fù)合材料的高性能、低成本等優(yōu)越性能,汽車(chē)部件越來(lái)越廣泛地采用復(fù)合材料,這也對(duì)CAE模擬技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),因?yàn)閭鹘y(tǒng)CAE中的材料模型通常不考慮纖維取向等因素,這會(huì)給計(jì)算機(jī)仿真帶來(lái)較大的誤差。圖5是采用DIGIMAT材料模型整合有限元技術(shù)在汽車(chē)保險(xiǎn)杠模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較。從圖中可知,采用DIGIMAT材料模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以?xún)?nèi),這是因?yàn)镈IGIMAT材料模型可以考慮纖維取向、體積百分比等對(duì)其影響,準(zhǔn)確地反映出復(fù)合材料真實(shí)結(jié)構(gòu)形態(tài)。3.材料模型的仿真3C材料一般采用工程塑料,若想準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料的機(jī)械性能、熱學(xué)性能等對(duì)于傳統(tǒng)CAE而言是相當(dāng)困難的,整合CAT技術(shù)與DIGTMAT材料模型,可輕易解決這一難題。圖6是某手機(jī)制造商手機(jī)跌落實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果比較。從圖中可知,采用均質(zhì)材料很難模擬手機(jī)小部件的破碎,而采用DIGIMAT材料模型可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確再現(xiàn),這為提高研發(fā)速度提供了有力的保障。4.digimat材料模型對(duì)納米復(fù)合材料導(dǎo)電率的機(jī)理納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相至少在一維以納米級(jí)大小(1～100nm)復(fù)合而成的復(fù)合材料。這些固相可以是非晶質(zhì)、半晶質(zhì)、晶質(zhì)或兼而有之,也可以是有機(jī)物、無(wú)機(jī)物或二者兼而有之。由于納米顆粒的分布狀態(tài)及其尺寸的復(fù)雜性,采用傳統(tǒng)CAE技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其精確模型。圖7是采用DIGIMAT材料模型計(jì)算的納米復(fù)合材料導(dǎo)電率。從圖中可知,只有當(dāng)碳納米管增加到一定程度時(shí),整個(gè)材料才會(huì)導(dǎo)電,這為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了有力的參考依據(jù)。三、不同塊的digimat性能DIGIMAT共由六個(gè)模塊組成,它們之間的數(shù)據(jù)可以相互傳遞,同時(shí)也可以方便地將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到通用有限元軟件中進(jìn)行深入分析。1.材料特性測(cè)試模塊DIGIMAT-MF是通過(guò)均勻化方法快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)合材料的非線(xiàn)性行為。這一模塊基于單胞理論,即將復(fù)合材料劃分至最小單元,分別定義基體、增強(qiáng)體等材料的結(jié)構(gòu)性能以及增強(qiáng)體含量,結(jié)合相關(guān)材料模型(如Drucker-prager模型等)計(jì)算復(fù)合材料機(jī)械性能等。2.材料的局部或整體非線(xiàn)性行為DIGIMAT-FE是通過(guò)代表性單元體(RVE)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)合材料的局部或整體非線(xiàn)性行為?；诖四K,可以創(chuàng)建復(fù)雜的材料3D微觀尺度模型,并賦予結(jié)構(gòu)性能以及相關(guān)載荷,結(jié)合商用有限元軟件ABAQUS等可精確實(shí)現(xiàn)基于細(xì)觀層次的復(fù)合材料及其各組分在外界載荷下的相應(yīng)歷程。3.digimat材料模型DIGIMAT-MX是為材料供應(yīng)商和終端用戶(hù)之間提供DIGIMAT材料模型的準(zhǔn)備、存儲(chǔ)、提取和安全交換。用戶(hù)可以充分利用此模型查詢(xún)材料常數(shù),進(jìn)行逆向工程,即由已知的復(fù)合材料模型反求基體或者是增強(qiáng)體的性能。4.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的模DIGIMATTOCAE是通過(guò)非線(xiàn)性多尺度模擬手段精確地預(yù)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能。此模塊為滿(mǎn)足客戶(hù)多樣化的需求,可實(shí)現(xiàn)有限元軟件與DIGIMAT的無(wú)縫銜接,使結(jié)果更為精確。5.網(wǎng)格映射功能DIGIMAT-MAP為模流分析和結(jié)構(gòu)分析提供高效的映射功能,實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息的交互。基于此模塊,用戶(hù)可以精確地將模流分析結(jié)果(如纖維取向、溫