基于Digimat的玻纖增強PA66油底殼振動異響仿真與試驗對標研究

國高材高分子材料產業創新中心

瀏覽：2746 收藏：1

摘要

基于Digimat軟件逆向獲得了用于制造油底殼的玻纖增強聚酰胺66（35%GF/PA66）材料屬性，通過多尺度聯合仿真方法對油底殼進行了模態仿真分析及測試。試驗結果與仿真結果的趨勢一致，所得結果可為復合材料零部件振動分析提供參考。

Part.01

背景

在汽車發動機系統中，油底殼扮演著至關重要的角色。它位于發動機底部，核心功能在于儲存和管理潤滑油，確保發動機內部運動部件的順暢運行和有效潤滑。

企業微信截圖_17512687393447.png

圖1 汽車油底殼

隨著汽車輕量化趨勢的持續推進，纖維增強尼龍復合材料因其優異的比強度和減重潛力，正越來越多地取代傳統金屬材料應用于油底殼等零部件的制造。然而，這類復合材料本質上具有顯著的各向異性特性。在注塑加工過程中，增強纖維在熔體流動方向上的分布難以實現完全均勻，導致最終成型的零部件內部不同區域的材料屬性（如剛度、強度）存在空間上的差異性。

因此，為了準確預測此類纖維增強復合材料零部件（如油底殼）在復雜載荷下的性能，尤其是涉及高應變率場景（如碰撞、跌落測試）的性能評估，亟需開發并應用能夠模擬其各向異性應力-應變行為的材料模型。這些模型需要精確反映材料在高應變率下的響應特性，并將模擬結果與實驗驗證進行比較。

Part.02

材料模型構建

纖維增強塑料通常具有高度各向異性，對性能有很大影響。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-應變行為會發生很大變化，表現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準確的應變評估并非易事。目前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，需要一個具有明顯特征的圖案的試樣表面。這是通過使用噴散斑的方式創建的（見下圖2）。

圖 2 噴散斑后拉伸斷裂樣條

企業微信截圖_17512733182371.png

圖 3 材料仿真分析平臺

基于高應變率實驗，我們開發了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，用于復合材料的高效建模。

Digimat是一款多尺度復合材料性能預測商業軟件，能夠幫助用戶在材料微觀結構，制造工藝和宏觀結構性能等方面進行高精度預測和分析。

圖 4 Digimat軟件

軟件主要包括MX、MAP、CAE、MF、FE 5個模塊。其中：MX為材料數據庫及材料屬性逆向模塊，可通過已知復合材料試樣的拉伸試驗數據，反求基體和增強體的材料參數；MAP為映射模塊，可將模流分析獲得的纖維取向分布、熔接線等結果映射到有限元網格上；CAE為仿真分析模塊，提供了Digimat軟件與不同有限元軟件之間接口；MF和FE為材料屬性宏觀和微觀正向建模模塊。

本文選用35%（質量分數，下同）GF增強聚酰胺 66 材料（35%GF/PA66），在溫度為 23 ℃時 0°、45°、90°方向測試注塑試樣拉伸應力-應變試驗數據，如圖5所示。