复合多相合成材料和结构物pmc的建模技术

复合多相合成材料和结构物pmc的建模技术

一、复合材料的结构有限元分析digimat是由e-xstream工程师开发的一套专注于建筑材料性能模拟的软件。为了整合模型流程分析、结构分析，并获得一般金元分析所需的组件参数，提供了一套解决方案。DIGIMAT非线性、多尺度的复合材料模拟平台,通过基体和纤维的材料特性,以及它们之间的微观结构(纤维形状、方向和含量等)获得复合材料的特性,如应力-应变曲线(图1)、工程常数(图2)、刚度或柔度以及热膨胀系数等。近年来,电脑模拟仿真技术应用越来越广泛,为企业缩短产品开发周期、提升产品品质提供了极大的帮助。机械、汽车和航空航天等领域的结构有限元分析,以及模具行业的模流分析等已深入人心。同时,随着轻量化、高品质化的需求,传统的金属材料已不能满足要求,增强塑料及复合材料的应用变得不可或缺,这就对采用这些材料的结构有限元分析提出了新的挑战。比如,如何将增强塑料件的模流分析和结构有限元分析整合以及如何获取复合材料件的材料参数,提高CAE分析的置信度,真正实现增强塑料件和复合材料结构的有限元分析,而这些新的挑战是采用传统CAE技术很难完成的。通过整合数字化材料样机DIGIMAT材料模型与传统CAE可以很好地解决这一系列难题。二、digimat的应用1.实验条件及影响分析增强塑料是含有增强材料的塑料,是一种高分子复合材料。增强塑料的性能由基体性能、增强材料性能、增强材料的体积百分比以及增强材料的形状和实验条件等共同决定。以增强塑料件为例,结构性能在很大程度上取决于纤维的方向,如进浇口(gate)位置的不同,会极大地影响结构的应力分布,而工艺的影响也不可忽略,如图3所示。图4是纤维取向对其增强塑料在两方向拉伸模量的影响,并比较了实验结果与DIGIMAT计算结果,对比后发现,采用DIGIMAT估计值与实验值约低5%,在误差允许范围内,这样可以在保证材料性能的基础上大幅度降低成本。2.digimat材料模型下的cae汽车行业是一个高速发展的行业,其竞争也日趋激烈,在这种情况下,新产品推出的速度也越来越快,这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障,可以为企业带来巨大的技术经济效益。由于复合材料的高性能、低成本等优越性能,汽车部件越来越广泛地采用复合材料,这也对CAE模拟技术提出了新的挑战,因为传统CAE中的材料模型通常不考虑纤维取向等因素,这会给计算机仿真带来较大的误差。图5是采用DIGIMAT材料模型整合有限元技术在汽车保险杠模态分析结果与实验比较。从图中可知,采用DIGIMAT材料模型与实验结果误差在5%以内,这是因为DIGIMAT材料模型可以考虑纤维取向、体积百分比等对其影响,准确地反映出复合材料真实结构形态。3.材料模型的仿真3C材料一般采用工程塑料,若想准确地预测材料的机械性能、热学性能等对于传统CAE而言是相当困难的,整合CAT技术与DIGTMAT材料模型,可轻易解决这一难题。图6是某手机制造商手机跌落实验与计算机仿真结果比较。从图中可知,采用均质材料很难模拟手机小部件的破碎,而采用DIGIMAT材料模型可以将实验结果精确再现,这为提高研发速度提供了有力的保障。4.digimat材料模型对纳米复合材料导电率的机理纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小(1～100nm)复合而成的复合材料。这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或兼而有之,也可以是有机物、无机物或二者兼而有之。由于纳米颗粒的分布状态及其尺寸的复杂性,采用传统CAE技术很难实现对其精确模型。图7是采用DIGIMAT材料模型计算的纳米复合材料导电率。从图中可知,只有当碳纳米管增加到一定程度时,整个材料才会导电,这为实验设计提供了有力的参考依据。三、不同块的digimat性能DIGIMAT共由六个模块组成,它们之间的数据可以相互传递,同时也可以方便地将计算结果导入到通用有限元软件中进行深入分析。1.材料特性测试模块DIGIMAT-MF是通过均匀化方法快速准确地预测复合材料的非线性行为。这一模块基于单胞理论,即将复合材料划分至最小单元,分别定义基体、增强体等材料的结构性能以及增强体含量,结合相关材料模型(如Drucker-prager模型等)计算复合材料机械性能等。2.材料的局部或整体非线性行为DIGIMAT-FE是通过代表性单元体(RVE)法准确地预测复合材料的局部或整体非线性行为。基于此模块,可以创建复杂的材料3D微观尺度模型,并赋予结构性能以及相关载荷,结合商用有限元软件ABAQUS等可精确实现基于细观层次的复合材料及其各组分在外界载荷下的相应历程。3.digimat材料模型DIGIMAT-MX是为材料供应商和终端用户之间提供DIGIMAT材料模型的准备、存储、提取和安全交换。用户可以充分利用此模型查询材料常数,进行逆向工程,即由已知的复合材料模型反求基体或者是增强体的性能。4.复合材料结构的模DIGIMATTOCAE是通过非线性多尺度模拟手段精确地预测复合材料结构的性能。此模块为满足客户多样化的需求,可实现有限元软件与DIGIMAT的无缝衔接,使结果更为精确。5.网格映射功能DIGIMAT-MAP为模流分析和结构分析提供高效的映射功能,实现不同网格数据信息的交互。基于此模块,用户可以精确地将模流分析结果(如纤维取向、温