CETMA是一家位于意大利Brindisi的研究機構，旗下擁有65名工程師和15個實驗室，研究涉及虛擬現實、3D打印、電子&機器人、視覺技術、復合材料、智能材料&結構檢測、建筑、物化分析等眾多領域。

目的

為了減少物理試驗件數量，驗證數值工具預測新材料力學性能的能力。CETMA采用虛擬測試的方法，聯合少量物理測試，較高精度的預測了混雜熱塑性復合材料的試樣級（Coupon）強度。

許用值作為材料基礎性能參數，在復合結構設計中被廣泛使用，用以代表給定復合材料體系、結構下的統計值。而作為量化材料強度的許用值，通常需參照相關標準進行多種試樣的測試表征，以航空航天業常用的A-&B-許用值為例，其定義如下：

• A-Basis（T99）- 總體中99%的材料值大于/等于該值（95%置信度）。

• B-Basis（T90）- 總體中90%的材料值大于/等于該值（95%置信度）。

材料體系

此次驗證的混雜熱塑復合材料體系由PEEK（聚醚醚酮）、PEI（聚醚酰亞胺）2種基體構成，其中主鋪層為PEEK+AS4預浸料（UD單向帶，0.14mm），主鋪層間為PEI薄層（0.0508mm），名義厚度0.2416mm，實際厚度0.25mm~0.26mm，結構示意如下：

相關材料性能：

虛擬測試流程

為了完成復合材料許用值計算，需要綜合計入材料性能、工藝、測試、環境等諸多因素影響，引入上述因素的擾動。在此基礎上，批量生成、提取虛擬樣本， 計算樣本強度并統計，獲得A-&B-許用值。

材料建模

虛擬測試需建立多尺度材料模型并預測/驗證其強度，以AS4/PEEK為例，其纖維體積含量（FVR）為60%，比較Digimat-MF、測試（Solvay APC-2）的多尺度分析結果可見，Digimat-MF較準確的預測了該材料體系的工程常數、強度等性能。

將上述多尺度材料模型導入Digimat-VA中，材料組分參數、等效S-S曲線等結果顯示如下：

PEI層的材料建模類似，不同之處在于： 

- Digimat-MF建模采用線彈性（Elastic）模型

- 纖維體積含量設置為微小值：Vf=1e-5

- Digimat-VA定義了2種失效準則：

- 拉伸/壓縮采用Multi-component 2D power law

- 剪切采用Multi-component 2D power law

變異參數設置

為了生成復合材料的統計學模型，需設置影響材料性能的統計參數（概率分布類型、

變異系數），主要包括：組分、工藝和測試條件。

測試矩陣

在完成材料體、鋪層定義、測試類型、環境態等各項設置后，即可生成虛擬測試矩陣并提交計算。

結果討論

以Laminate 3、Laminate 3s和Unidirectional三種層合板為例，虛擬試樣L-D曲線見下圖。相關參數的擾動導致虛擬試樣的模量、強度等發生變異，模擬了物理測試的離散性。

此外，比較虛擬/物理測試結果，可見虛擬測試較準確的預測了失效位置/模式。

對虛擬樣本強度值進行統計，A-&B-許用值及誤差見下表：

在以上無缺口試樣許用值校驗的基礎上，還對其他類型試樣（采用相同材料模型）進行了計算，包括：FHT、OHC和低能量沖擊測試。

虛擬測試還評估了不同沖頭直徑（能量）情況下，損傷區域的凹坑大小。

Laminate 3 [90,45,0,-45]s
Laminate 4 [45,-45,0,90,45,-45]s
沖擊能量	100%     71%     41%    30%    12%

結論

此次虛擬測試總計：

• 144個虛擬試樣，4種混雜鋪層。

• 計算時長總計48hrs（含前/后處理，純物理測試~1周）。

結果顯示Laminate 3具有最大拉伸強度/許用值，Laminate 3s 具有較高的拉伸模量。

實驗結果（Applus）被用于評估預測誤差，結果顯示：

• 虛擬測試強度/模量預測誤差<4%。

• FH和OH強度誤差<5%。

此次仿真/測試對比驗證了Digimat減少物理測試、預測新材料許用值的能力，表明該分析方法/工具可用于相關材料體系的性能預測。