設計仿真 | 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）結果的后處理快速輕松地識別關鍵位置。

Part.01引   言

在設計承重部件時，可預測性是關鍵?？深A測性縮短了開發(fā)時間，實現(xiàn)了首次正確的設計，并確保了零件在使用中的性能。雖然大多數拉伸桿實驗都是在低應變率下進行的，并且用于靜載荷情況，但本用例側重于模擬注塑玻璃纖維增強塑料的高應變率各向異性應力-應變行為。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果，并將模擬結果與實驗驗證進行比較。

Part.02基礎材料屬性建模

正確的建模能夠引導設計，同時減少設計迭代次數。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

? 纖維取向對材料力學行為的影響

? 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

大多數拉伸試驗是在約0.001 s-1的應變率下進行的。在較高的應變率下，熱塑性材料的應力-應變行為會發(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的范圍內進行了應力-應變試驗。

在高應變率測試中進行精確的應變評估并非易事。目前最先進的技術是使用數字圖像相關方法。這是一種非接觸式的基于圖像的技術，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變場。為了獲得準確的結果，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果

我們創(chuàng)建了測試裝置的有限元分析模型?；谀＞叱叽鐦嫿嗽敿毜挠邢拊治鰩缀谓Y構。具有高應變數據的Digimat各向異性材料卡片對于正確描述材料的性能至關重要。

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性。

圖 D

Part.06吸收能量的相關性

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性。

圖 E

Part.07總  結

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果。

Envalior是熱塑性材料科學的全球領導者，提供全套一流的熱塑性塑料材料解決方案和全球應用開發(fā)支持。通過創(chuàng)新和市場領先的可持續(xù)產品，我們讓創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。我們推動進步，建設一個更美好、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。