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工程師開發(fā)的一套專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非線性、多尺度的復(fù)合材料模擬平臺,通過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(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,電腦模擬仿真技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,為企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(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,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.實驗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)材料的形狀和實驗條件等共同決定。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,并比較了實驗結(jié)果與DIGIMAT計算結(jié)果,對比后發(fā)現(xiàn),采用DIGIMAT估計值與實驗值約低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汽車行業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè),其競爭也日趨激烈,在這種情況下,新產(chǎn)品推出的速度也越來越快,這也對行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來越高的要求。CAE技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價值地位的技術(shù)保障,可以為企業(yè)帶來巨大的技術(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,汽車部件越來越廣泛地采用復(fù)合材料,這也對CAE模擬技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),因為傳統(tǒng)CAE中的材料模型通常不考慮纖維取向等因素,這會給計算機(jī)仿真帶來較大的誤差。圖5是采用DIGIMAT材料模型整合有限元技術(shù)在汽車保險杠模態(tài)分析結(jié)果與實驗比較。從圖中可知,采用DIGIMAT材料模型與實驗結(jié)果誤差在5%以內(nèi),這是因為DIGIMAT材料模型可以考慮纖維取向、體積百分比等對其影響,準(zhǔn)確地反映出復(fù)合材料真實結(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)測材料的機(jī)械性能、熱學(xué)性能等對于傳統(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)跌落實驗與計算機(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材料模型可以將實驗結(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)很難實現(xiàn)對其精確模型。圖7是采用DIGIMAT材料模型計算的納米復(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,整個材料才會導(dǎo)電,這為實驗設(shè)計提供了有力的參考依據(jù)。三、不同塊的digimat性能DIGIMAT共由六個模塊組成,它們之間的數(shù)據(jù)可以相互傳遞,同時也可以方便地將計算結(jié)果導(dǎo)入到通用有限元軟件中進(jìn)行深入分析。1.材料特性測試模塊DIGIMAT-MF是通過均勻化方法快速準(zhǔn)確地預(yù)測復(fù)合材料的非線性行為。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)計算復(fù)合材料機(jī)械性能等。2.材料的局部或整體非線性行為DIGIMAT-FE是通過代表性單元體(RVE)法準(zhǔn)確地預(yù)測復(fù)合材料的局部或整體非線性行為。基于此模塊,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)商和終端用戶之間提供DIGIMAT材料模型的準(zhǔn)備、存儲、提取和安全交換。用戶可以充分利用此模型查詢材料常數(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是通過非線性多尺度模擬手段精確地預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能。此模塊為滿足客戶多樣化的需求,可實現(xiàn)有限元軟件與DIGIMAT的無縫銜接,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,實現(xiàn)不同網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息的交互?；诖四K,用戶可以精確地將模流分析結(jié)果(如纖維取向、溫