基于Digimat复合材料分析平台的SFRP性能分析.pptx

1、基于Digimat复合材料分析平台的SFRP性能分析2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Volve SFRP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Digimat SFRP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4e-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

2、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5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Tier 1 (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7 发展概况与事实:1995 2005:汽车平均重量增加17% (1118 kg1310kg)每增重200 kg 燃料消耗增加18% (4.8 l/100km 5.7 l/100km) 目标 : 2020年前实现 减重200 kg 或减少15 到 20 g

3、CO2/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88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（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89Digimat 结合材料工艺微观结构与性能Material Processing Drapage,AFP, PCM HP-CRTMMaterial MicrosturcureContinuous fibers:

4、UD/Woven Nano, .Material Chracteristics Mechanical Thermal Electric, .Structural Performance- Stiffness- Fatigue, Material Processing Injection molding Compression modling D-LFTMaterial MicrosturcureChopped fibers Nano, .Material Chracteristics Mechanical Thermal Electric, .Structural PerformanceSti

5、ffnessStrengthFatigue, Digimat针对SFRP材料的解决方案11 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12 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向13 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1314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

6、应变曲线基于均匀化算法计算，求解速度 主要针对短切纤维增强塑料材料的材料模型库；2018 2018 版版DigimatDigimat-MX-MX中目前包含中目前包含270270种牌号的材料种牌号的材料用户可直接在用户可直接在CAECAE分析中使用库中的材料模型分析中使用库中的材料模型纤维类型包含：玻璃纤维、碳纤维纤维类型包含：玻璃纤维、碳纤维树脂类型包含：树脂类型包含：PA6PA6、PA66PA66、PA12PA12、PPPP、PBTPBT、PEEKPEEK、PEAKPEAK、POMPOM、PEIPEI、PPAPPA、PPSPPS等等众多欧美知名材料供应商为众多欧美知名材料供应商为Digima

7、tDigimat-MX-MX提供了材料数据提供了材料数据 e-Xstream通用材料模型针对使用其他材料供应商材料的客户针对使用其他材料供应商材料的客户基于基于CAMPUSCAMPUS发布的公开数据发布的公开数据纤维：玻璃纤维和碳纤维纤维：玻璃纤维和碳纤维树脂：树脂：PAPA、PPPP、PBTPBT、POMPOM、PEIPEI、PEEKPEEK根据不同厂商提供的数据得到平均数据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16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17 材料模型在CAE中的调用以Mar

8、c Mentat为例DIGIMAT 与有限元软件的直接接口18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19 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20 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、Compression injection）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21NVH线弹性刚度弹塑性

9、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23 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Courtesy of24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试验结果破坏破坏Courtesy of图片所显示为图片所显示为 : 工况一工况一 仿真需要能够捕捉工况一与工况二之间失效载荷的差异25Courtesy of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高估了破坏载荷载荷: 403

10、3N结构 FEA 模型26Courtesy of对应力对应力/ /应变曲线施加系数应变曲线施加系数直到算出正确的失效载荷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？如果改变工况会怎样？调整等效材料模型再进行FEA分析27Courtesy of材料参数材料参数: 调整应力调整应力/ /应变曲线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28注塑模流仿真Courtesy of29Courtesy ofDi

11、gimat-RP, 流变-结构耦合仿真平台30利用Digimat进行结构仿真Courtesy of31Volvo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Volvo XC90平衡部件性能行人保护静强度Volve SFRP前端模块冲击仿真Courtesy of32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Courtesy of弹塑性与应变率相关材料参数校准33Courtesy of Volve 仿真了注塑过程，并利用Digimat MAP进行了模流结果

12、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343点弯曲点弯曲非对称非对称3点弯点弯准静态工况Courtesy of35Courtesy of动态 工况二36Courtesy of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Durethan BKV30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37原始各向同性材料计算结果SFRP电子连接器性能仿真分析Real

13、 PartCAD ModelStructural MeshIsotropic temp depend Material DataElement MeshIsotropic FE Response38 注塑模流仿真结果连接器性能分析39利用Digimat消除了E&E元器件的误差连接器性能分析Nonlinear structural results accounting for anisotropyDigimat Nonlinear Material Law accounting for Fiber OrientationsFiber OrientationsCLOSING THE GAP40脊柱

14、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。D

15、igimat SFRP材料脊柱椎间盘设计仿真41Digimat 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

16、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42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。43Digimat能够预测刚度和阻尼并考虑局部纤维方向利用Nastan SOL1XX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)

17、 Digimat 材料模型基于Digimat的SFRP结构NVH分析44Digimat-RP/moldex3D : 行驶载荷工况顶盖前横梁壳模型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浇口 位置位置 1浇口浇口 位置位置 2有限元模型有限元模型Digimat粘弹材料模型45Digimat rp/Moldex 3D 提供了快速提供了快速纤维纤维方向估方向估计计的功能的功能纤维方向张量映射到结构网格上46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

18、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1.00E+011.00E+021.00E+031.00E+041.00E+051.00E+061.00E+07050100150200250300Acceleration (mm/s2)Frequency (Hz)Local Aniso K(f) - D(f) - Gate Position 1Local Aniso K(f) - D(f) - Gate Position 2Global Iso 0.6*Axial K - Conservative D(f) - no injection dependencyAn isotropi

19、c assumption can lead to very different conclusionsShift in FrequencyPeak Value47全频率解确保得到正确的响应, 无论激励频率是多少1.00E+011.00E+021.00E+031.00E+041.00E+051.00E+061.00E+07050100150200250300Acceleration (mm/s2)Frequency (Hz)K(100Hz) - D(100Hz) - Gate Position 1K(300Hz) - D(300Hz) Gate Position 1Local Aniso K(f

20、) - D(f) - Gate Position 1结果对比结果对比:-全频率相关性-从100Hz 和300Hz 得到局部各向异性刚度和阻尼构Full frequency response matches with response with K and D computed at 100HzFull frequency response matches with response with K and D computed at 300Hz48增强塑料和复合材料制造零件的NVH分析的挑战各向同性均质方法，由于预测的误差，只能得到过设计或额外的设计迭代，这些材料的刚度和阻尼, 与局部微观结构相关与频率相关Digimat 利用粘弹性多尺度材料模型考虑局部微观结构变化引起的局部各向异性刚度和阻尼在有限元分析中, 可以完全地或部分地考虑频率相关性Digimat 利用粘弹性多尺度材料模型进行与 Nastran进行NVH仿真的能力将有助于提高预测的准确度设计迭代过程的执行会更有信心,为您的下一个增强塑料获得更好的轻量化和NVH性能分析结论Digimat典型客户介绍50 世界范围内300多家客户: 航空航天, 汽车, 材料供应商以及高校。Digimat 的客户包含多个不同行业