塞拉尼斯公司是一家全球化工技術(shù)和特種材料公司。作為化工行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的創(chuàng)新型公司，其設(shè)計和制造一系列與生活息息相關(guān)的產(chǎn)品。公司龐大而多元化的全球客戶群涵蓋了眾多行業(yè)內(nèi)的主要企業(yè)。公司業(yè)務(wù)在全球均衡分布，涉及多個終端應(yīng)用領(lǐng)域，廣泛用于消費品和工業(yè)品。塞拉尼斯聯(lián)合海克斯康，致力于構(gòu)建在NVH和熱沖擊載荷下，復(fù)合材料性能精確評估的工作流程及解決方案。

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介 紹

Digimat

Digimat是海克斯康旗下一款專注于多尺度復(fù)合材料非線性材料本構(gòu)預(yù)測和材料建模的商用軟件包。Digimat能夠幫助用戶預(yù)測多相材料的宏觀性能，支持的材料范圍涉及包含連續(xù)纖維、長纖維、短纖維、纖維編織、晶須、顆粒、片層等所有增強相和包括樹脂基、金屬基和陶瓷基在內(nèi)的多類基體材料。廣泛的軟件接口可以為幾乎所有的主流有限元程序提供材料模型或進行多尺度的耦合分析。多尺度的分析結(jié)果使得對材料和結(jié)構(gòu)的失效預(yù)測更加準(zhǔn)確。

圖1. Digimat軟件界面

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在NVH的應(yīng)用

Digimat

復(fù)合材料大量應(yīng)用于汽車零部件及總成結(jié)構(gòu)中，在針對此類型結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)仿真分析時，傳統(tǒng)的有限元仿真分析無法考慮復(fù)合材料的復(fù)雜的粘彈性各向異性行為，只能認(rèn)為材料是各向同性的，因此不能準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的NVH響應(yīng)。

Digimat作為一款專注于復(fù)合材料仿真分析的軟件，其中粘彈性材料卡片可以考慮頻率對剛度和阻尼的影響，以及各向異性力學(xué)性能和材料阻尼，如圖2所示。因此能夠?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)進行精確的有限元分析，幫助工程師正確設(shè)計塑料部件，以獲得產(chǎn)品最佳的NVH性能。

圖2. Digimat的粘彈性材料卡片

Digimat的材料卡片參數(shù)可以通過實驗獲得，通過測試不同頻率和溫度下的G'&G”曲線，利用時間-溫度等效原理，將主曲線組裝成相對于給定溫度的唯一曲線。利用Digimat MX模塊中的材料逆向工程，可以實現(xiàn)對粘彈性材料卡片的校準(zhǔn)，如圖3所示。校準(zhǔn)后的材料卡片可以準(zhǔn)確預(yù)測準(zhǔn)靜態(tài)剛度，以及應(yīng)用頻率范圍的結(jié)果（通常大于50Hz）。

圖3. Digimat MX中PA66 GF35% - 90C & DAM材料的校準(zhǔn)結(jié)果

將得到的材料卡片用于實際產(chǎn)品的諧響應(yīng)仿真分析中，并與不同溫度下的錘擊實驗結(jié)果進行對比，如圖4所示。結(jié)果表明，通過Digimat引入各向異性的粘彈性材料模型，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果符合的較好；相較于之前的各向同性材料模型，Digimat和有限元軟件的聯(lián)合仿真能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的零部件性能模擬。

圖4. 不同溫度錘擊實驗，有限元仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比

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在熱沖擊的應(yīng)用

Digimat

純電動汽車中的母線主要負(fù)責(zé)各種系統(tǒng)中傳導(dǎo)電流，本文使用的母線類型為包覆成型母線，其關(guān)鍵性能要求為能夠承受熱循環(huán)和熱沖擊而不出現(xiàn)開裂。

圖5. 電動汽車中的包覆成型母線結(jié)構(gòu)

塞拉尼斯利用仿真分析方法和內(nèi)部測試臺來對母線結(jié)構(gòu)進行熱沖擊評估，通過材料選擇和設(shè)計優(yōu)化來提高母線的性能。用于熱機械分析的有限元聯(lián)合方法工作流程如下：

1. 填充分析：提供玻璃纖維取向和插入位移
2. 熱結(jié)構(gòu)分析：預(yù)測潛在的熱循環(huán)失效，并優(yōu)化母線設(shè)計
3. Digimat的TEP卡片：溫度和纖維取向?qū)Σ牧闲阅艿挠绊懩Ｐ?/li>

圖6. 熱機械分析的有限元聯(lián)合方法

通過Digimat和有限元軟件的聯(lián)合仿真分析，能夠更好地捕捉失效關(guān)鍵位置并改進有限元分析的精度（圖7）。進一步，還可以針對母線結(jié)構(gòu)進行熱循環(huán)載荷下的失效分析（圖8）。

圖7. Digimat和有限元聯(lián)合仿真方法能夠更好捕捉失效關(guān)鍵位置

圖8. 母線結(jié)構(gòu)三個熱循環(huán)載荷后的失效指標(biāo)評估

04

總 結(jié)

Digimat

● 塞拉尼斯建立了Digimat和有限元軟件的聯(lián)合仿真分析工作流程，用于改進材料建模和數(shù)值預(yù)測

● 塞拉尼斯建立了相應(yīng)的測試平臺，以加深對復(fù)合材料行為的理解

● 塞拉尼斯與海克斯康在熱沖擊失效預(yù)測方面的開發(fā)和合作正在進行中

● Digimat粘彈性材料卡已被用于支持電動汽車防振部件的開發(fā)以及同類產(chǎn)品和零件的設(shè)計