汽车复合材料多尺度预报技术Digimat

汽车复合材料结构非线性多尺度预报技术王翾Customer&EngineeringServiceTeam,[e-mail]2Copyright2014e-Xstreamengineeringe-Xstreamengineering•e-XstreamengineeringSarl–2003年成立于法语鲁汶大学（UCL）–2012年9月加入MSC软件公司–44人的专业团队3Copyright2014e-Xstreamengineering•JEC和Lucintel的统计数据宏观角度看复合材料的发展4Copyright2014e-Xstreamengineering•几个数字:1995年2005年–汽车平均重量增加17%(1118kg1310kg)–增重200kg燃料增加18%(4.8L/100km5.7L/100km)–目标:2020年实现减重200kg或者减少CO2排放量15-20g/km•复合材料被越来越广泛的使用在汽车上–连续纤维材料，主要用于覆盖物–短纤维材料，主要用于内外饰汽车轻量化5Copyright2014e-Xstreamengineering汽车轻量化6Copyright2014e-Xstreamengineering•对于传统金属材料的汽车结构–材料通常是各向同性的–结构上各点的材料性能是均匀的–工艺对材料性能的影响较小，通常在结构设计和CAE分析中很少考虑复合材料使用对CAE提出的挑战7Copyright2014e-Xstreamengineering•对于短纤维复合材料汽车结构–材料因纤维的加入具有各向异性的特点–纤维排布方向的差异导致结构各点的材料性能不同–纤维排布情况取决于工艺过程复合材料使用对CAE提出的挑战8Copyright2014e-Xstreamengineering•世界先进的非线性多尺度复合材料与结构建模平台•非线性–考虑材料非线性，特别是基体材料的非线性对复合材料整体性能的影响•多尺度–通过多种多尺度技术预报材料性能，并能够与结构有限元耦合实现对结构的多尺度计算•用户–材料开发工程师–结构有限元工程师复合材料非线性多尺度建模平台Digimat9Copyright2014e-Xstreamengineering•通过多尺度技术预报材料的力学、热力学、传热、导电方面的性能–连续碳纤维增强树脂–二维织物–短切纤维增强材料–增强橡胶–纳米颗粒增强材料–硬质合金–。。。复合材料非线性多尺度建模平台Digimat10Copyright2014e-Xstreamengineering•Digimat支持几乎所有常用的线性和非线性材料本构复合材料非线性多尺度建模平台Digimat•力学–小变形本构•线性本构（考虑应变率）–弹性、黏弹性•非线性本构（考虑应变率）–弹塑性、考虑损伤的弹塑性、弹黏塑性、黏弹黏塑性–大变形本构（考虑应变率）•超弹性、Leonov-EGP•热力学–小变形本构•线性、非线性本构（考虑应变率）–热弹性、热弹塑性、热弹黏塑性–大变形本构•线性本构–热超弹性•热学:傅里叶定律•电学:欧姆定律11Copyright2014e-Xstreamengineering•复合材料多尺度技术复合材料非线性多尺度建模技术DigimatEΣLocalphasebehaviorGlobalbehaviorLocalizationAveragingεrσrEHxrrr:)(rrrc::)(rcca)b)RVE建模直接求解细观力学均匀化算法arw[%]MatrixInclusion12Copyright2014e-Xstreamengineering•目的:通过RVE有限元求解方法预报多相材料（复合材料）的非线性各向异性性能，根据：–单相材料性能;–微观结构.•主要功能–根据材料的微结构特征，随机生成材料的RVE模型–定义组分的材料数据和边界条件，通过有限元程序进行网格划分和求解–对有限元结果进行统计后处理•优点–在微观尺度上高精度预报材料性能–支持复杂几何形状的增强相–支持增强相聚集和交联定义•局限性–复杂RVE模型的生成较慢–大型RVE模型需要占用较大的计算资源–不能与宏观结构分析直接耦合–受网格质量影响RVE建模直接求解方法Digimat-FEFiber-reinforcedmaterialsNanofilledmaterials13Copyright2014e-Xstreamengineering•RVE建模直接求解方法–创建材料细观尺度的几何模型，通过有限元或其他数值算法进行求解–模型的随机性生成和周期性处理–复杂微观结构生成•增强相尺寸（分布）•几何形状•位置（随机或指定）•聚集情况•方向•几何渗透•界面相/粘接界面•多层结构RVE建模直接求解方法Digimat-FE14Copyright2014e-Xstreamengineering•RVE建模直接求解方法–几何的随机性与周期性的统一•短程无序与长程有序–周期性边界条件PeriodicGeometryRVE建模直接求解方法Digimat-FEPeriodicGeometryPeriodicGeometry15Copyright2014e-Xstreamengineering•材料RVE模型后处理–体积平均值：F=–算数平均值–统计分布RVE建模直接求解方法Digimat-FEmatrixinclusions16Copyright2014e-Xstreamengineering•复合材料均匀化预报方法–基于Eshelby夹杂理论（1957年）–采用Mori-Tanaka或Doubleinclusions算法–国内相关著作：•《短纤维复合材料力学》（顾震隆）•《复合材料细观力学》（王彪、杜善义）–增强相受限于椭球形拓扑（纤维、颗粒、片层）–Digimat将这类方法推广到了非线性范围平均场均匀化方法DIGIMAT-MF17Copyright2014e-Xstreamengineering•Digimat中的均匀化方法能够支持的材料非线性类型–线弹性、热弹性–弹塑性、含塑性损伤的弹塑性、热弹塑性–粘弹性、热粘弹、粘弹粘塑、热弹塑、热弹粘塑–超弹性、Leonov-EGPReference–I.Doghri,A.Ouaar.Homogenizationoftwo-phaseelasto-plasticcompositematerialsandstructuresstudyoftangentoperators,cyclicplasticityandnumericalalgorithms.InternationalJournalofSolidsandStructures40(2003)1681–1712–I.Doghri,L.Adam,N.Bilger.Mean-fieldhomogenizationofelasto-viscoplasticcompositesbasedonageneralincrementallyaffinelinearizationmethod.InternationalJournalofPlasticity26(2010)219–238–I.Doghri,L.Tinel.Micromechanicalmodelingandcomputationofelasto-plasticmaterialsreinforcedwithdistributed-orientationfibers.InternationalJournalofPlasticity21(2005)1919–1940–A.Selmi,I.Doghri,L.Adam.Micromechanicalsimulationsofbiaxialyield,hardeningandplasticflowinshortglassfiberreinforcedpolyamide.InternationalJournalofMechanicalSciences53(2011)696–706平均场均匀化方法DIGIMAT-MF18Copyright2014e-Xstreamengineering•短纤维增强材料的刚度预报与强度预报–短纤维增强材料的RVE•复杂的方向分布•Pseudo-Grain离散思想•基于Pseudo-Grain的FPGF失效模型–使用Tsai-Hill准则对每个Pseudo-Grain进行失效判断，对失效的PG适当折减刚度平均场均匀化方法DIGIMAT-MFPseudo-grainlevelMacroscopiclevelMicroscopiclevel19Copyright2014e-Xstreamengineering•高周疲劳模型（SN曲线预测）–连续纤维UD–短切纤维•蠕变平均场均匀化方法DIGIMAT-MF20Copyright2014e-Xstreamengineering•Digimat-MX公开数据库–Digimat模型•供应商数据–RHODIA–SABIC–LYONDELLBASELL–EMS-GRIVORY–TICONAGmbH–DUPONT•通用数据–e-Xstream–实验曲线复合材料非线性多尺度建模平台Digimat21Copyright2014e-Xstreamengineering•Digimat-MX通用材料模型–线性/非线性解决方案–数据来源•材料供应商•CAMPUS公开数据–ISO527试样–材料范围•纤维–碳纤维、玻璃纤维–组分含量15-60%•基体–PA、PP、PBT、POM、PEI、PEEK•条件–不同湿度–不同温度–不同应变率复合材料非线性多尺度建模平台Digimat22Copyright2014e-XstreamengineeringMaterialProcessing•Injectionmolding•Compressionmodling•D-LFTMaterialMicrosturcure•Choppedfibers•Nano,...MaterialChracteristics•Mechanical•Thermal•Electric,...StructuralPerformanceStiffnessStrengthFatigue,……•工艺、材料、结构一体化结构工艺一体化仿真技术MaterialProcessing•Drapage,•AFP,•PCM•HP-CRTMMaterialMicrosturcure•Continuousfibers:UD/Woven•Nano,...MaterialChracteristics•Mechanical•Thermal•Electric,...StructuralPerformanceStiffnessStrengthFatigue,…23Copyright2014e-Xstreamengineering结构工艺一体化仿真技术24Copyright2014e-Xstreamengineering结构工艺一体化仿真技术•局部微观结构映射–数据•纤维排向•残余应力•孔隙率•温度场等•Digimat与有限元程序之间的强耦合分析–Micro法：计算每个积分点上的实时刚度矩阵–Hybrid法：计算刚度矩阵的解空间，插值得到各积分点上的实时刚度矩阵3D2DStrainStress&StiffnessMatrix25Copyright2014e-Xstreamengineering•一个实例–雷诺汽车前段模块–材料：长玻纤增强PP（PP-LGF40）Digimat增强塑料结构解决方案26Copyright2014e-Xstreamengineering•注塑过程对纤维分布的影响–以Moldflow为例Digimat增强塑料结构解决方案注塑方案纤维排向27Copyright2014e-Xstreamengineering•纤维排布差异导致材料性能在结构上的不均匀Dig