設(shè)計仿真 | Digimat用于碰撞、沖擊模擬熱塑性塑料材料解決方案

摘  要

為了準確預測零件強度和吸收能量，Envalior通過高應(yīng)變率拉伸實驗創(chuàng)建了Digimat材料卡片。Digimat材料卡片能夠模擬各向異性粘彈性/粘塑性材料行為。此外，材料卡片中包含失效指標，使用戶能夠通過有限元分析（FEA）結(jié)果的后處理快速輕松地識別關(guān)鍵位置。

Part.01引   言

在設(shè)計承重部件時，可預測性是關(guān)鍵?？深A測性縮短了開發(fā)時間，實現(xiàn)了首次正確的設(shè)計，并確保了零件在使用中的性能。雖然大多數(shù)拉伸桿實驗都是在低應(yīng)變率下進行的，并且用于靜載荷情況，但本用例側(cè)重于模擬注塑玻璃纖維增強塑料的高應(yīng)變率各向異性應(yīng)力-應(yīng)變行為。這些類型的測量是準確評估碰撞和跌落測試性能所必需的。在有限元模擬中使用材料性能建模的結(jié)果，并將模擬結(jié)果與實驗驗證進行比較。

Part.02基礎(chǔ)材料屬性建模

正確的建模能夠引導設(shè)計，同時減少設(shè)計迭代次數(shù)。纖維增強塑料通常具有高度各向異性，對性能有顯著影響。因此需要考慮局部纖維取向和由此產(chǎn)生的性能影響。

先進的建模工具可以成功預測：

? 纖維取向

? 纖維取向?qū)Σ牧狭W行為的影響

? 零件性能：例如剛度、強度、碰撞、噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）、尺寸穩(wěn)定性、蠕變、疲勞等

大多數(shù)拉伸試驗是在約0.001 s-1的應(yīng)變率下進行的。在較高的應(yīng)變率下，熱塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為會發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)出剛度和強度的增加。因此，使用從不同取向（0°、45°和90°）的注塑板銑削而成的拉伸桿試件，在0.001至100 s-1的范圍內(nèi)進行了應(yīng)力-應(yīng)變試驗。

在高應(yīng)變率測試中進行精確的應(yīng)變評估并非易事。目前最先進的技術(shù)是使用數(shù)字圖像相關(guān)方法。這是一種非接觸式的基于圖像的技術(shù)，需要用高分辨率、高幀率的相機記錄試樣表面變形。圖像分析軟件用于從這些圖像中評估應(yīng)變場。為了獲得準確的結(jié)果，需要一個具有獨特特征的圖案的試樣表面。這是通過使用黑色和白色油漆層噴漆創(chuàng)建的（見下圖A）。

圖 A

基于高應(yīng)變率實驗，我們開發(fā)了Digimat材料卡片，對各向異性粘彈性/粘塑性材料行為進行了建模。Digimat是一個使用微觀力學的多尺度材料建模平臺，用于復合材料的精確建模。我們可以和客戶共享材料卡片，并與所有主流的有限元分析軟件工具兼容。

Part.03實驗結(jié)果和分析

為了證明我們的材料卡片在預測注塑零件碰撞性能方面的準確性，我們制作并測試了x型肋梁演示零件。

各種測試樣品用Akulon?K224-PG6和Akulon?K224-PG8注塑成型，并在動態(tài)三點彎曲裝置中進行測試。

x型肋梁演示零件安裝在圓柱形支架上。將半球形沖擊器從0.5米的高度掉落到x型肋梁上。

在圖B中，我們展示了測試后Akulon K224-PG8材料梁的失效。失效始于承受拉力的底部法蘭。對于試樣#4和#6，失效發(fā)生在中心位置，對于試樣#5，失效發(fā)生得稍微偏離中心。

圖 B

Part.04有限元模型建立和分析結(jié)果

我們創(chuàng)建了測試裝置的有限元分析模型?；谀＞叱叽鐦?gòu)建了詳細的有限元分析幾何結(jié)構(gòu)。具有高應(yīng)變數(shù)據(jù)的Digimat各向異性材料卡片對于正確描述材料的性能至關(guān)重要。

有限元模擬顯示了幾何體底部的最高拉力。其幅值變得非常高，以至于發(fā)生了零件的斷裂。如失效指標輪廓圖（下圖C）所示，法蘭底部的臨界區(qū)域（失效指標值高于1.0）與測試零件中觀察到的失效位置一致。

圖 C

Part.05力的相關(guān)性

圖D所示的Akulon K224-PG6和Akulon K2 24-PG8的力-位移曲線具有很好的相關(guān)性。

圖 D

Part.06吸收能量的相關(guān)性

圖E顯示了Akulon K224-PG6和Akulon K2 24-PG8的吸收能量-位移曲線具有良好的相關(guān)性。

圖 E

Part.07總  結(jié)

我們對x型肋梁演示零件的驗證研究表明，實驗和模擬之間在初始裂紋位置以及力-位移曲線，吸收能量-位移曲線在定量方面都非常一致。這證明Digimat材料卡片能夠使我們的客戶能夠獲得準確的模擬結(jié)果。

Envalior是熱塑性材料科學的全球領(lǐng)導者，提供全套一流的熱塑性塑料材料解決方案和全球應(yīng)用開發(fā)支持。通過創(chuàng)新和市場領(lǐng)先的可持續(xù)產(chǎn)品，我們讓創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。我們推動進步，建設(shè)一個更美好、更環(huán)保的世界。這只能通過與我們的客戶和利益相關(guān)者的深度合作來實現(xiàn)，他們對更美好的未來有著共同的愿景。我們的產(chǎn)品和創(chuàng)新的新材料通道是可持續(xù)的、有目的的和循環(huán)的，旨在讓世界變得更美好。在不斷變化的環(huán)境中，許多挑戰(zhàn)有待解決，但我們相信，我們的高性能、安全和輕便的解決方案將塑造新移動、先進電氣和電子以及許多其他行業(yè)的未來。