沖擊后壓縮分析的案例
聚合物基復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）測試標(biāo)準(zhǔn)解讀及主要挑戰(zhàn)分析
但這類材料存在一個(gè)關(guān)鍵短板——對沖擊損傷異常敏感：微小的面外沖擊（如冰雹撞擊、工具墜落、碎石撞擊），就可能在材料內(nèi)部造成分層、基體裂紋等難以目視察覺的損傷，進(jìn)而大幅降低其承載能力，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。
在此背景下，“沖擊后壓縮”（Compression After Impact, CAI）性能測試，成為復(fù)合材料研發(fā)、質(zhì)量控制、選型決策中不可或缺的核心環(huán)節(jié)，更是連接實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)與市場實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁。
Background
什么是CAI測試？
很多人將CAI測試誤解為單一的沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)則不然——它是一套完整的系統(tǒng)性能評估流程，核心目的是模擬復(fù)合材料在實(shí)際服役中“遭遇低能量沖擊后繼續(xù)承載”的嚴(yán)峻工況，精準(zhǔn)考核材料受損后的剩余壓縮強(qiáng)度。
其測試邏輯可概括為兩步：
第一步，通過標(biāo)準(zhǔn)化的落錘沖擊或準(zhǔn)靜態(tài)壓痕方法，在復(fù)合材料層合板試樣上引入可控、可重復(fù)的損傷，模擬實(shí)際使用中可能遇到的沖擊場景；
第二步，將已產(chǎn)生損傷的試樣固定在專用支撐夾具中，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)直至失效，最終測定其壓縮殘余強(qiáng)度，以此判斷材料在受損后的結(jié)構(gòu)可靠性。簡單來說，CAI測試就是給復(fù)合材料做“抗沖擊后的耐力測試”，直接決定材料能否在復(fù)雜工況下安全服役。
Standard
檢測標(biāo)準(zhǔn)解讀
當(dāng)前，業(yè)界普遍遵循ASTM D7136（落錘沖擊）與D7137（壓縮殘余強(qiáng)度）標(biāo)準(zhǔn)體系。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了從試樣制備、沖擊引入到最終壓縮測試的全過程。
1. 核心試樣
標(biāo)準(zhǔn)推薦針對厚度為4.0至6.0毫米,建議厚度為5mm的層合板進(jìn)行測試，鋪層方式對結(jié)果有決定性影響。
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ABAQUS導(dǎo)入初始場變量（預(yù)定義場）
通常利用ABAQUS計(jì)算時(shí)，需要多步驟分析，例如計(jì)算多次低速沖擊以及沖擊后壓縮等，下面詳細(xì)描述利用數(shù)據(jù)傳遞方法進(jìn)行多步驟分析。（建議購買視頻，視頻內(nèi)包含此帖子）
導(dǎo)入效果圖如下：
導(dǎo)入的損傷云圖
導(dǎo)入的應(yīng)力場
導(dǎo)入的位移場
分層損傷的導(dǎo)入
1. 計(jì)算完成后，新建一個(gè)ABAQUS 窗口，切記與上一步計(jì)算的ODB文件在同一個(gè)文件夾下，導(dǎo)入Part部件
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內(nèi)附有cae，inp，Vumat 子程序
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復(fù)合材料沖擊后壓縮CAI 綜述文獻(xiàn)（不斷更新）
復(fù)合材料沖擊后壓縮CAI 的文獻(xiàn)，我認(rèn)為總結(jié)比較好的文章，分享給大家
[1] Khathyri Fatima, ElkiheL Bachir, Delaunois Fabienn. Review of damages prediction in a composite material at low velocity impact Global Journal of Engineering and Technology Advances, 01 (01) (2019) 027–42.
REF1.pdf
[2] Raffael Bogenfeld, Janko Kreikemeier, Tobias Wille. Review and benchmark study on the analysis of low-velocity impact on composite laminates. Engineering Failure Analysis, 86 (2018) 72-99.
Ref2.pdf
[3] Youhong Tang, Lin Ye, Zhong Zhang, Klaus Friedrich. Interlaminar fracture toughness and CAI strength of fibre-reinforced composites with nanoparticles – A review. Composites Science and Technology, 86 (2013) 26-37.
ref3.pdf
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復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）測試關(guān)鍵要點(diǎn)，確保天舟貨運(yùn)飛船飛行安全性
另外，使用超聲掃描儀觀察和分析損傷面積和尺寸。
5）安裝試樣在試驗(yàn)夾具中，按照規(guī)定的速率施加壓縮載荷，直至達(dá)到最大載荷值。在載荷下降至最大載荷的約30%時(shí)，終止試驗(yàn)，以避免真實(shí)破壞模式被大范圍的畸變所遮蔽，并防止損壞支持夾具。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，記錄時(shí)間、位移、載荷等數(shù)值，以生成力-位移曲線。
3、計(jì)算
1）極限壓縮強(qiáng)度
2）有效模量
3）統(tǒng)計(jì)——對每個(gè)系列試驗(yàn)的壓痕深度d，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和偏差
系數(shù)（百分?jǐn)?shù)）。
如果您還想了解更多關(guān)于聚合物的沖擊性能測試、聚合物材料的抗沖擊強(qiáng)度、聚合物的沖擊性能和落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的工作原理和規(guī)程等問題，歡迎您關(guān)注我們，也可以給我們私信和留言，國高材分析測試中心工程師團(tuán)隊(duì)為您免費(fèi)解答！
展開 Moldex3D模流分析之考慮螺桿后松退的料管壓縮分析
后松退為計(jì)量完成之后螺桿不旋轉(zhuǎn)、單純后退的動作。由于螺桿沒有旋轉(zhuǎn)，故不會有額外的熔膠被帶到噴嘴與料管前端。其過程如下圖所示，松退之后料管將產(chǎn)生藍(lán)色部份的空間，此時(shí)噴嘴尖端處的熔膠會被往后抽，同時(shí)壓力下降，導(dǎo)致熔膠比容上升、體積變大，占據(jù)掉螺桿后退后增加出來的部份空間。
現(xiàn)在Moldex3D充填階段的模擬，已可將后松退行為納入料管壓縮分析中，如此一來就能完整考慮到松退時(shí)噴嘴塑料區(qū)內(nèi)部的熔膠回抽行為與狀態(tài)變化，更準(zhǔn)確地預(yù)測熔膠充填時(shí)間、螺桿位置與注射量。
操作流程
條件限制
1.僅支持射出成型(IM)制程類型。
2.僅支持透過機(jī)臺模式內(nèi)的真實(shí)機(jī)臺接口進(jìn)行松退參數(shù)設(shè)定。
3.噴嘴與料管需設(shè)定為「噴嘴塑料區(qū)」屬性。
4.含「熱流道」屬性的模型，不支持回抽模擬。
步驟1：前處理準(zhǔn)備
開啟Moldex3D Studio (2021) 后，建立或匯入含有塑件、冷流道、冷卻系統(tǒng)和噴嘴塑料區(qū)的網(wǎng)格。
步驟2：機(jī)臺模式設(shè)定與選擇機(jī)臺
開啟成型條件后選擇「機(jī)臺模式」，并于機(jī)臺設(shè)定中選擇新增后于機(jī)臺數(shù)據(jù)庫中選擇射出機(jī)臺。
注：選擇機(jī)臺時(shí)須注意是否支持真實(shí)機(jī)臺接口(目前支持20臺以上的真實(shí)機(jī)臺接口)。
步驟3：后松退設(shè)定
1. 選擇支持機(jī)臺接口的射出機(jī)后，需勾選「機(jī)臺接口」并選擇控制器類型；接著點(diǎn)選「下一步」即可顯示真實(shí)機(jī)臺接口。
2. 于機(jī)臺接口中找到「后松退」并輸入松退距離或體積。
步驟 4：結(jié)果比較
1. 螺桿位置與射壓
如下圖所示，綠線為不考慮熔膠后抽的模擬結(jié)果，由于模具提早充滿，使得射壓瞬間升高，螺桿卻尚未達(dá)到VP切換點(diǎn)。藍(lán)線為考慮松退行為，其壓力與VP位置之結(jié)果可以更接近實(shí)驗(yàn)值。
2.
展開 Moldex3D模流分析之螺桿后松退料管壓縮分析教程
后松退為計(jì)量完成之后螺桿不旋轉(zhuǎn)、單純后退的動作。由于螺桿沒有旋轉(zhuǎn)，故不會有額外的熔膠被帶到噴嘴與料管前端。其過程如下圖所示，松退之后料管將產(chǎn)生藍(lán)色部份的空間，此時(shí)噴嘴尖端處的熔膠會被往后抽，同時(shí)壓力下降，導(dǎo)致熔膠比容上升、體積變大，占據(jù)掉螺桿后退后增加出來的部份空間。
現(xiàn)在Moldex3D充填階段的模擬，已可將后松退行為納入料管壓縮分析中，如此一來就能完整考慮到松退時(shí)噴嘴塑料區(qū)內(nèi)部的熔膠回抽行為與狀態(tài)變化，更準(zhǔn)確地預(yù)測熔膠充填時(shí)間、螺桿位置與注射量。
操作流程
條件限制
1.僅支持射出成型(IM)制程類型。
2.僅支持透過機(jī)臺模式內(nèi)的真實(shí)機(jī)臺接口進(jìn)行松退參數(shù)設(shè)定。
3.噴嘴與料管需設(shè)定為「噴嘴塑料區(qū)」屬性。
4.含「熱流道」屬性的模型，不支持回抽模擬。
步驟1：前處理準(zhǔn)備
開啟Moldex3D Studio (2021) 后，建立或匯入含有塑件、冷流道、冷卻系統(tǒng)和噴嘴塑料區(qū)的網(wǎng)格。
步驟2：機(jī)臺模式設(shè)定與選擇機(jī)臺
開啟成型條件后選擇「機(jī)臺模式」，并于機(jī)臺設(shè)定中選擇新增后于機(jī)臺數(shù)據(jù)庫中選擇射出機(jī)臺。
注：選擇機(jī)臺時(shí)須注意是否支持真實(shí)機(jī)臺接口(目前支持20臺以上的真實(shí)機(jī)臺接口)。
步驟3：后松退設(shè)定
1. 選擇支持機(jī)臺接口的射出機(jī)后，需勾選「機(jī)臺接口」并選擇控制器類型；接著點(diǎn)選「下一步」即可顯示真實(shí)機(jī)臺接口。
2. 于機(jī)臺接口中找到「后松退」并輸入松退距離或體積。
步驟 4：結(jié)果比較
1. 螺桿位置與射壓
如下圖所示，綠線為不考慮熔膠后抽的模擬結(jié)果，由于模具提早充滿，使得射壓瞬間升高，螺桿卻尚未達(dá)到VP切換點(diǎn)。藍(lán)線為考慮松退行為，其壓力與VP位置之結(jié)果可以更接近實(shí)驗(yàn)值。
2.
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后松退為計(jì)量完成之后螺桿不旋轉(zhuǎn)、單純后退的動作。由于螺桿沒有旋轉(zhuǎn)，故不會有額外的熔膠被帶到噴嘴與料管前端。其過程如下圖所示，松退之后料管將產(chǎn)生藍(lán)色部份的空間，此時(shí)噴嘴尖端處的熔膠會被往后抽，同時(shí)壓力下降，導(dǎo)致熔膠比容上升、體積變大，占據(jù)掉螺桿后退后增加出來的部份空間。
現(xiàn)在Moldex3D充填階段的模擬，已可將后松退行為納入料管壓縮分析中，如此一來就能完整考慮到松退時(shí)噴嘴塑料區(qū)內(nèi)部的熔膠回抽行為與狀態(tài)變化，更準(zhǔn)確地預(yù)測熔膠充填時(shí)間、螺桿位置與注射量。
操作流程
條件限制
1.僅支持射出成型(IM)制程類型。
2.僅支持透過機(jī)臺模式內(nèi)的真實(shí)機(jī)臺接口進(jìn)行松退參數(shù)設(shè)定。
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步驟2：機(jī)臺模式設(shè)定與選擇機(jī)臺
開啟成型條件后選擇「機(jī)臺模式」，并于機(jī)臺設(shè)定中選擇新增后于機(jī)臺數(shù)據(jù)庫中選擇射出機(jī)臺。
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步驟 4：結(jié)果比較
1.
展開 
Moldex3D模流分析之壓縮成型模塊后處理
后處理
檢視壓縮成型模塊分析結(jié)果的簡單方法就是使用流域分布圖示。
1. 從Studio工作區(qū)中選擇適合的項(xiàng)目：
?在樹狀目錄中展開所要的組別
?在樹狀目錄中展開分析結(jié)果
?選擇結(jié)果項(xiàng)目，如流動波前時(shí)間、壓力或溫度等
2. 在顯示工具欄中點(diǎn)擊圖標(biāo)，以顯示或隱藏所要的模型特征或組件。范例如下所示：
1. 檢視充填階段的粒子追蹤
為檢視充填階段的粒子追蹤分布，在Studio樹狀目錄中選擇 組別 > 結(jié)果 > 充填分析 >粒子追蹤。可以觀察粒子從進(jìn)澆口開始在流動長度、總速度、壓力及溫度的分布情形，檢視熔膠充填行為。
2. 檢視充填階段時(shí)依預(yù)填料ID的粒子追蹤分布
為檢視當(dāng)預(yù)填料多于一項(xiàng)時(shí)的熔膠充填行為，在Studio樹狀目錄中選擇組別 > 分析結(jié)果 > 充填分析 > 粒子追蹤 > 預(yù)填料ID。
3. 檢視壓縮后保壓階段的特性
注意：在壓縮成型分析中，保壓結(jié)果將不會獨(dú)立在分析結(jié)果的樹狀目錄內(nèi)，而是與充填結(jié)果合并。如要觀看其結(jié)果，選擇壓縮切換之后的時(shí)間輸出。
選擇組別 > 分析結(jié)果 > 充填分析 > 壓力與密度，以顯示充填結(jié)束時(shí)壓力與溫度的分布。其翹曲應(yīng)較傳統(tǒng)射出成型小。
展開 計(jì)算機(jī)仿真分析預(yù)測，將人造骨骼植入患者體內(nèi)，經(jīng)過數(shù)十年的磨損、沖擊后，到底會不會老化損壞
通過外科手術(shù)將人造骨骼植入人體內(nèi)，替代原來的生物骨骼，被認(rèn)為是新科技帶了的醫(yī)療福音，但是，當(dāng)這些人造骨骼在患者身體內(nèi)長期服役，受到持續(xù)十年以上的磨損、沖擊以后，它們會不會老化、變形，甚至損壞，這就不僅僅是一次外科手術(shù)的問題，通過工程仿真模擬技術(shù)，可以探尋這一問題的答案。比如，越來越多運(yùn)動員由于長期勞損，需要植入人造髖關(guān)節(jié)，醫(yī)生和工程師們可以使用CAE工程仿真軟件，對從陶瓷到金屬合金的各種人造骨骼材料進(jìn)行數(shù)字化仿真測試，分析預(yù)測包括磨損、沖擊和振動在內(nèi)的各種性能變化，并設(shè)計(jì)出最佳的個(gè)性化方案。
髖關(guān)節(jié)假體的機(jī)械應(yīng)力
仿真軟件已經(jīng)被越來越多用于各種醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)開發(fā)，以確保醫(yī)療設(shè)備的安全使用，有助于提高醫(yī)療設(shè)備的可靠性，包括那些需要組裝的設(shè)備。
然而，對于涉及到人造髖關(guān)節(jié)的外科醫(yī)生來說，仿真可以集中在人造股骨頭和它所占據(jù)的腔體的微觀分離上。在長期連續(xù)使用時(shí)，該結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致沖擊，增加人造骨骼的磨損。
髖關(guān)節(jié)假肢極端負(fù)荷的仿真模擬測試
首先，人體骨骼的特點(diǎn)在于其形狀的復(fù)雜性和不規(guī)則性，難以用確切的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行描述，使用仿真軟件對骨骼和肌肉的三維幾何和材料參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化建模，研究包括在極端意外載荷下模擬人造骨骼的運(yùn)動和受力。比如，模擬在9ms內(nèi)的瞬間，骨骼受到9千牛頓沖擊力后的影響。如果患者從一個(gè)很高的高度墜落，如一段樓梯，就會看到類似的負(fù)荷狀態(tài)。仿真計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)確地預(yù)測了接觸區(qū)域和股骨頭與腔體的分離。
其次，仿真軟件能夠預(yù)測人造骨骼在意外事故中的變形和結(jié)構(gòu)損傷，這一結(jié)果可以用來優(yōu)化人造骨骼的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其對抗意外負(fù)荷的抵抗力，保證其能夠長期在人體內(nèi)正常工作。
仿真技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用前景廣闊
過去幾十年，仿真軟件已經(jīng)證明了它在汽車、航空航天、能源和電子行業(yè)的巨大價(jià)值。
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