圖1 汽車底護板

隨著全球汽車產業(yè)向電動化、智能化加速轉型，新能源汽車的底部安全防護已成為決定產品可靠性與市場競爭力的核心要素之一。面對復雜的真實路況——從城市道路的減速帶到非鋪裝路面的碎石與凸起——作為動力電池“第一道物理防線”的底護板，其性能直接關系到整車的安全底線。

圖2 高分子復合材料與鋁鎂合金材料的對比

傳統(tǒng)的金屬防護方案雖然可靠，但過大的重量已成為阻礙車輛續(xù)航里程提升的“阿克琉斯之踵”。在此背景下，以連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic， CFRTP） 為代表的輕量化高性能材料方案應運而生，正引領一場從“金屬護甲”到“復合材料鎧甲”的靜默革命。

圖3 底盤全方位保護5件套

在這場材料革新中，我國材料科技企業(yè)已走在前列。例如，金發(fā)科技憑借其在CFRTP領域深厚的技術積累，創(chuàng)新性地將該材料應用于動力電池的底護板與密封蓋系統(tǒng)。

底護板復合材料

① 更強的防護能力：Kingfa復合材料底護板較能夠顯著提升動力電池底部沖擊防護效果。即使在16mm直徑的球頭沖擊下下(更嚴苛的底部沖擊試驗)Kingfa復合材料底護板較3mm鋁板具有更強的防護能力；

② 更低的零件成本：使用復合材料對高強鋼的封裝，節(jié)省了電泳，PVC涂層等工藝成本，整體零件成本有很大的節(jié)約。Kingfa復合材料底護板較鋁板可以大幅節(jié)省材料成本。

更值得關注的是，金發(fā)科技通過對阻燃配方的創(chuàng)新設計，使CFRTP部件同時滿足了高玻纖含量、V0級阻燃、1200℃耐火燒等極端安全要求，展現(xiàn)了材料本身的多功能集成潛力。

然而，復合材料的“可設計性”既是其優(yōu)勢，也帶來了巨大的開發(fā)挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)均質金屬材料不同，CFRTP的性能高度依賴于纖維種類、取向、鋪層順序以及基體特性，其破壞模式復雜多樣。僅憑物理試驗進行“試錯式”開發(fā)，成本高昂且周期漫長。因此，基于高保真度計算機仿真的虛擬設計與性能預測，已成為復合材料產品開發(fā)不可或缺的核心環(huán)節(jié)。

PART 01

MAT_058的作用

在LS-DYNA針對復合材料的眾多材料模型中，MAT_58 (*MAT_LAMINATED_COMPOSITE_FABRIC) 是一個經(jīng)過長期工程實踐驗證的經(jīng)典選擇。與其它高級復合材料模型相比，MAT_58在工程應用中展現(xiàn)出獨特的綜合優(yōu)勢，使其特別適合用于新能源汽車底護板這類涉及沖擊、碰撞的防護結構仿真。

MAT_58基于Matzenmiller-Lubliner連續(xù)損傷力學框架，通過Hashin失效準則來預測層合板的面內損傷起始與演化。其核心優(yōu)點在于，模型所需的輸入?yún)?shù)（如不同方向的彈性模量、強度、斷裂韌性等）大多可直接通過ASTM標準試驗獲取，物理意義明確，降低了參數(shù)標定的不確定性。更重要的是，該模型在模擬材料損傷軟化過程中不產生累積塑性應變，這意味著其計算不依賴于復雜的變形歷史更新，從而在模擬如底部刮蹭、石子沖擊等復雜事件時，能保持較高的計算效率，這對于需要大量迭代設計的工程場景至關重要。

PART 02

MAT_58的適用性

研究表明，MAT_58在準確預測復合結構壓潰過程的穩(wěn)定壓潰力與復雜失效模式（如分層、纖維碎裂、層合板開花） 方面，有時需要做出權衡。有研究指出，在某些軸向壓潰仿真中，調整參數(shù)可能讓仿真在“力值準確”或“失效模式準確”中二選一，難以同時完美復現(xiàn)。

此外，對于涉及大變形、卸載再加載的復雜應力路徑，其損傷定律存在一定的局限性。然而，對于新能源汽車底護板防護所主要關注的低速沖擊、擊穿防護及能量吸收等場景，其主導的失效模式相對明確，通過合理的參數(shù)校準與建模策略，MAT_58已被證明能夠提供足夠可靠的工程指導。

表1 幾種常用于復合材料沖擊分析的典型材料卡片

PART 03

應用案例

表 2 所示為 *MAT_58 材料模型主要的輸入?yún)?shù)，其中大部分參數(shù)例如密度、彈性模量、強度和泊松比可以通過 ASTM 標準試驗測試得到。

TAU1 和 GAMMA1（僅在 FS 為 -1 下激活）被定義為剪切應力-應變曲線中的第一段非線性區(qū)域的應力與應變極限，該組參數(shù)能夠描述編織復合材料更加復雜的剪切非線性行為。

SLIMxx 被稱為應力極限因子，能夠定義單元在材料坐標系下各方向在損傷后、單元失效刪除前的最小應力，例如纖維拉伸方向單元應力的最小值為 SLIMT1 * XT；ERODS（εf）為等效失效應變，是 *MAT_58 材料模型單元刪除的唯一判據(jù)，其表達式參考 Von-Mises 應力，不考慮偏應變的影響，為單元發(fā)生失效時的 Von-mises 應變。

E11T, E11C, E22T, E22C 和 GMS 為材料在對應強度下的應變，其控制材料各方向應力-應變曲線的軟化程度，能夠顯著影響應力-應變曲線中斜率的變化趨勢，需要謹慎設置。

SOFT 是一個有限元模型維數(shù)數(shù)值穩(wěn)定性的數(shù)學意義上的參數(shù)，在物理層面上被稱為峰值縮減系數(shù)，能夠模擬失效區(qū)域周邊未失效單元的強度縮減行為。SOFT 取 0 代表失效區(qū)域周邊單元無法承受載荷，取 1 代表單元保持原有強度不變；SOFT 能夠直接影響有限元模型的結果，一般通過試錯法得出。

表2 MAT_58輸入主要參數(shù)

3.1 單單元測試

在復雜的產品仿真之前，通過單單元測試對材料模型進行“體檢”至關重要。該測試在軟件中建立一個單獨的有限元單元，模擬單軸拉伸、壓縮或剪切載荷，用以孤立地研究每個參數(shù)對應力-應變曲線形態(tài)的獨立影響。

在 *MAT_58 材料模型參數(shù)中，除去拉伸強度和拉伸模量等本構參數(shù)，能夠對材料的應力-應變曲線產生影響的還有 FS、E11T、SLIMT1 和 ERODS，因此分別改變這四個參數(shù)的值，研究其對材料的力學響應的影響。

圖 4(a) 為單單元模型在不同 FS 下的應力-應變曲線，圖中不同的 FS 所對應的曲線重合，這是因為 在沒有剪應力參與的條件下，不同的 FS 所控制的纖維拉伸失效準則可以被簡化為最大應力準則。

圖 4(b) 為單單元模型在不同 E11T 下的應力-應變曲線。從圖 4(b) 中可以觀察到：E11T 為材料纖維抗拉強度所對應的應變；E11T 極大地改變了材料的力學響應，E11T 越大，曲線的峰前和峰后軟化響應越明顯；拉伸應力-應變曲線的形狀直接取決于 E11T 與 XT/E11 的接近程度；本文使用的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料在拉伸與壓縮工況下均有明顯的彈脆性特征，因此 E11T、E11C、E22T 和 E22C 的數(shù)值應設置為試驗的斷裂應變，以保證最小程度的峰前軟化，對于剪切非線性工況，GMS 的設置需要進一步研究。

如圖 4(c) 所示，SLIMT1 改變了單單元模型應力-應變曲線的峰后響應，與前文提到的相符，該參數(shù)與抗拉強度 XT 一起定義了一個峰后軟化平臺應力，大小為 XT * SLIMT1。

圖 4(d) 為改變等效失效應變 ERODS，對進行計算并與曲線結果進行比較，發(fā)現(xiàn)單元刪除的位置與 ERODS 數(shù)值一一對應，驗證了該參數(shù)含義的準確性。

圖 ４ 改變不同參數(shù)拉伸單單元測試結果

3.2 MAT _58 關鍵參數(shù)捕捉

1）等效失效應變（ERODS）的標定

ERODS與材料的斷裂韌性（即抵抗裂紋擴展的能力）密切相關。本研究通過雙邊缺口拉伸（DENT）試驗來標定該參數(shù)。

制備特定幾何的帶缺口試樣進行拉伸，獲得其載荷-位移曲線與峰值載荷（平均約11,511 N）。結合基于Bazant裂紋帶模型的理論公式，可以計算出材料的面內纖維方向斷裂韌性 G_ic。

對于本案例研究的CFRP材料，當單元尺寸為2mm、SLIMT1取0.2時，計算得到對應的ERODS值為 0.56（表3）。這為仿真提供了基于物理斷裂機制的失效準則輸入。

表3 斷裂韌性與ERODS結果

（2）面內剪切非線性參數(shù)（GMS）的標定

對于復合材料的剪切行為，MAT_58 模型通過GMS參數(shù)來描述其非線性。通過開展面內剪切試驗，并獲得試驗的應力-應變曲線。隨后，在仿真中建立相應的剪切模型，調整GMS的數(shù)值，使仿真曲線與試驗曲線最大限度重合。本案例中，當GMS取值為 0.03 時，仿真與試驗曲線吻合良好（圖5），從而確定了該參數(shù)。

圖5 不同GMS下面內剪切仿真應力－應變曲線

PART 04

落錘沖擊驗證

參數(shù)標定的有效性必須在更接近真實工況的場景下進行驗證。落錘沖擊試驗模擬了底護板可能承受的瞬時沖擊載荷，是驗證仿真模型預測能力的理想手段。

圖6展示了仿真與試驗的力-位移曲線對比。無論是采用4層還是16層殼單元堆疊來模擬層合板厚度方向，仿真曲線與試驗曲線整體吻合良好。

仿真的沖擊峰值力分別為14,383 N（4層）和13,767 N（16層），與試驗峰值力（15,277N）的誤差分別為 5.22% 和 8.99%。這一結果充分證明了基于前述方法標定的 MAT_58 參數(shù)集能夠有效預測CFRP層合板在高速沖擊下的力學響應。

圖6 200J沖擊能量下試驗與仿真的沖擊力-位移曲線

PART 05

結論

在新能源汽車復合材料底護板的開發(fā)中，MAT_58材料卡片通過模擬材料的各向異性、損傷演化和最終失效，使工程師能夠在虛擬環(huán)境中精準預測底護板在沖擊、剮蹭等工況下的力學響應與防護極限，為復合材料底護板實現(xiàn)仿真驅動設計、加速產品可靠落地提供關鍵支撐。

材料卡片定制

國高材分析測試中心聯(lián)合行業(yè)仿真機構，為客戶提供材料力學性能樣件測試及仿真軟件材料卡片生成服務，具體內容如下：

1.按照客戶的技術要求，進行高分子材料試驗（單向拉伸，缺口拉伸，剪切，雙向拉伸，沖孔，三點彎等）。

2.對材料樣件試驗結果數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，驗證及仿真分析標定。

4.最終交付材料樣件試驗數(shù)據(jù)結果及仿真軟件材料卡片。

定制材料卡片清單：

*MAT_024 (PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)

*MAT_054 (Enhanced Composite Damage）

*MAT_058 (LAMINATED_COMPOSITE_FABRIC) 

*MAT_083 (FU_CHANG_FOAM)

*MAT_169 (ARUP_ADHESIVE) 

*MAT_187 (SAMP-1)等

咨詢電話：020-66221668

素材來源于網(wǎng)絡

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