沖擊后壓縮強度分析的案例
聚合物基復合材料沖擊后壓縮強度（CAI）測試標準解讀及主要挑戰分析
在航空航天、新能源汽車、風電等高端制造領域，纖維增強聚合物基復合材料憑借高比強度、高比模量、輕量化等優異特性，成為推動產業升級的核心材料。但這類材料存在一個關鍵短板——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），就可能在材料內部造成分層、基體裂紋等難以目視察覺的損傷，進而大幅降低其承載能力，嚴重威脅結構安全。
在此背景下，“沖擊后壓縮”（Compression After Impact, CAI）性能測試，成為復合材料研發、質量控制、選型決策中不可或缺的核心環節，更是連接實驗室標準與市場實際應用的關鍵橋梁。
Background
什么是CAI測試？
很多人將CAI測試誤解為單一的沖擊實驗，實則不然——它是一套完整的系統性能評估流程，核心目的是模擬復合材料在實際服役中“遭遇低能量沖擊后繼續承載”的嚴峻工況，精準考核材料受損后的剩余壓縮強度。
其測試邏輯可概括為兩步：
第一步，通過標準化的落錘沖擊或準靜態壓痕方法，在復合材料層合板試樣上引入可控、可重復的損傷，模擬實際使用中可能遇到的沖擊場景；
第二步，將已產生損傷的試樣固定在專用支撐夾具中，進行壓縮試驗直至失效，最終測定其壓縮殘余強度，以此判斷材料在受損后的結構可靠性。簡單來說，CAI測試就是給復合材料做“抗沖擊后的耐力測試”，直接決定材料能否在復雜工況下安全服役。
Standard
檢測標準解讀
當前，業界普遍遵循ASTM D7136（落錘沖擊）與D7137（壓縮殘余強度）標準體系。這些標準詳細規定了從試樣制備、沖擊引入到最終壓縮測試的全過程。
1. 核心試樣
標準推薦針對厚度為4.0至6.0毫米,建議厚度為5mm的層合板進行測試，鋪層方式對結果有決定性影響。
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纖維復合材料加筋壁板沖擊后壓縮計算剩余強度，采用連續殼單元，內附cae，inp及ODB文件
復合材料沖擊后壓縮強度（CAI）測試關鍵要點，確保天舟貨運飛船飛行安全性
另外，使用超聲掃描儀觀察和分析損傷面積和尺寸。
5）安裝試樣在試驗夾具中，按照規定的速率施加壓縮載荷，直至達到最大載荷值。在載荷下降至最大載荷的約30%時，終止試驗，以避免真實破壞模式被大范圍的畸變所遮蔽，并防止損壞支持夾具。在整個試驗過程中，記錄時間、位移、載荷等數值，以生成力-位移曲線。
3、計算
1）極限壓縮強度
2）有效模量
3）統計——對每個系列試驗的壓痕深度d，計算平均值、標準差和偏差
系數（百分數）。
如果您還想了解更多關于聚合物的沖擊性能測試、聚合物材料的抗沖擊強度、聚合物的沖擊性能和落錘沖擊試驗機的工作原理和規程等問題，歡迎您關注我們，也可以給我們私信和留言，國高材分析測試中心工程師團隊為您免費解答！
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ABAQUS導入初始場變量（預定義場）
通常利用ABAQUS計算時，需要多步驟分析，例如計算多次低速沖擊以及沖擊后壓縮等，下面詳細描述利用數據傳遞方法進行多步驟分析。（建議購買視頻，視頻內包含此帖子）
導入效果圖如下：
導入的損傷云圖
導入的應力場
導入的位移場
分層損傷的導入
1. 計算完成后，新建一個ABAQUS 窗口，切記與上一步計算的ODB文件在同一個文件夾下，導入Part部件
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復合材料沖擊后壓縮CAI 綜述文獻（不斷更新）
復合材料沖擊后壓縮CAI 的文獻，我認為總結比較好的文章，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
展開 汽車座椅沖擊強度試驗時的CAE案例分析 附GB T 21563-2018 軌道交通 機車車輛設備沖擊
本文中針對某中級轎車后排座椅正撞時的負載安全性，根據ECER17法規和該車生產企業關于座椅沖擊強度的要求，采用多剛體動力學法和瞬態大變形有限元法混合建模和耦合計算，實現了在帶假人的情況下該座椅正撞時負載安全性的CAE分析，并對改進方案實施后的性能進行預測。
1 后排座椅正撞負載法規試驗
ECER17中關于汽車后排座椅沖擊強度的認證規定采用臺車試驗臺進行正撞工況下的座椅沖擊試驗。試驗樣塊尺寸(mm)為300×300×300，棱邊倒角為20mm，質量為18kg。試驗樣塊的安放位置如圖1所示，放置于行李艙的地板上，縱向與靠背有200mm的水平距離;兩試驗樣塊之間有50mm的橫向距離。
圖1 實驗樣塊質量及其布置圖
試驗過程中及試驗后，如果座椅和靠背鎖仍保持原來位置，則認為滿足要求。在試驗期間，允許座椅靠背及其緊固件變形，但試驗靠背和頭枕部分的前輪廓不能向前方超出一定的位置:頭枕(座椅靠背)不得超過座椅R點前方距R點150mm(100mm)的橫向垂直平面。
2 后排座椅安全性的CAE分析
2.1 后排座椅靠背結構
本文中研究的座椅靠背采用分體式結構，如圖2所示。由40%和60%靠背兩部分組成。進行座椅沖擊強度試驗時，靠背骨架以實際機構的連接方式固定在白車身上，白車身固定在臺車上。座椅靠背兩側的鎖支架連接靠背鎖，車身鎖鉤與靠背鎖處于鎖止狀態，以固定靠背上部，靠背下部的邊支架和中支架分別通過螺栓固定在車身上，與車身形成鉸鏈連接。中間位置的安全帶與座椅集成一體，肩帶的上固定點在60%靠背上，左右位置的安全帶固定點均在車身上。座椅沖擊強度試驗主要是考察座椅結構件和連接件的強度和剛度。
圖2后排座椅結構圖
碰撞試驗成本昂貴而且難以得到內部關鍵部件的變形情況，給汽車座椅的設計帶來許多不便。
展開 Moldex3D模流分析之螺桿后松退料管壓縮分析教程
后松退為計量完成之后螺桿不旋轉、單純后退的動作。由于螺桿沒有旋轉，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，松退之后料管將產生藍色部份的空間，此時噴嘴尖端處的熔膠會被往后抽，同時壓力下降，導致熔膠比容上升、體積變大，占據掉螺桿后退后增加出來的部份空間。
現在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噴嘴塑料區內部的熔膠回抽行為與狀態變化，更準確地預測熔膠充填時間、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.僅支持透過機臺模式內的真實機臺接口進行松退參數設定。
3.噴嘴與料管需設定為「噴嘴塑料區」屬性。
4.含「熱流道」屬性的模型，不支持回抽模擬。
步驟1：前處理準備
開啟Moldex3D Studio (2021) 后，建立或匯入含有塑件、冷流道、冷卻系統和噴嘴塑料區的網格。
步驟2：機臺模式設定與選擇機臺
開啟成型條件后選擇「機臺模式」，并于機臺設定中選擇新增后于機臺數據庫中選擇射出機臺。
注：選擇機臺時須注意是否支持真實機臺接口(目前支持20臺以上的真實機臺接口)。
步驟3：后松退設定
1. 選擇支持機臺接口的射出機后，需勾選「機臺接口」并選擇控制器類型；接著點選「下一步」即可顯示真實機臺接口。
2. 于機臺接口中找到「后松退」并輸入松退距離或體積。
步驟 4：結果比較
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果，由于模具提早充滿，使得射壓瞬間升高，螺桿卻尚未達到VP切換點。藍線為考慮松退行為，其壓力與VP位置之結果可以更接近實驗值。
2.
展開 Moldex3D模流分析之螺桿后松退料管壓縮分析教程
后松退為計量完成之后螺桿不旋轉、單純后退的動作。由于螺桿沒有旋轉，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，松退之后料管將產生藍色部份的空間，此時噴嘴尖端處的熔膠會被往后抽，同時壓力下降，導致熔膠比容上升、體積變大，占據掉螺桿后退后增加出來的部份空間。
現在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噴嘴塑料區內部的熔膠回抽行為與狀態變化，更準確地預測熔膠充填時間、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.僅支持透過機臺模式內的真實機臺接口進行松退參數設定。
3.噴嘴與料管需設定為「噴嘴塑料區」屬性。
4.含「熱流道」屬性的模型，不支持回抽模擬。
步驟1：前處理準備
開啟Moldex3D Studio (2021) 后，建立或匯入含有塑件、冷流道、冷卻系統和噴嘴塑料區的網格。
步驟2：機臺模式設定與選擇機臺
開啟成型條件后選擇「機臺模式」，并于機臺設定中選擇新增后于機臺數據庫中選擇射出機臺。
注：選擇機臺時須注意是否支持真實機臺接口(目前支持20臺以上的真實機臺接口)。
步驟3：后松退設定
1. 選擇支持機臺接口的射出機后，需勾選「機臺接口」并選擇控制器類型；接著點選「下一步」即可顯示真實機臺接口。
2. 于機臺接口中找到「后松退」并輸入松退距離或體積。
步驟 4：結果比較
1.
展開 
Moldex3D模流分析之考慮螺桿后松退的料管壓縮分析
后松退為計量完成之后螺桿不旋轉、單純后退的動作。由于螺桿沒有旋轉，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，松退之后料管將產生藍色部份的空間，此時噴嘴尖端處的熔膠會被往后抽，同時壓力下降，導致熔膠比容上升、體積變大，占據掉螺桿后退后增加出來的部份空間。
現在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噴嘴塑料區內部的熔膠回抽行為與狀態變化，更準確地預測熔膠充填時間、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.僅支持透過機臺模式內的真實機臺接口進行松退參數設定。
3.噴嘴與料管需設定為「噴嘴塑料區」屬性。
4.含「熱流道」屬性的模型，不支持回抽模擬。
步驟1：前處理準備
開啟Moldex3D Studio (2021) 后，建立或匯入含有塑件、冷流道、冷卻系統和噴嘴塑料區的網格。
步驟2：機臺模式設定與選擇機臺
開啟成型條件后選擇「機臺模式」，并于機臺設定中選擇新增后于機臺數據庫中選擇射出機臺。
注：選擇機臺時須注意是否支持真實機臺接口(目前支持20臺以上的真實機臺接口)。
步驟3：后松退設定
1. 選擇支持機臺接口的射出機后，需勾選「機臺接口」并選擇控制器類型；接著點選「下一步」即可顯示真實機臺接口。
2. 于機臺接口中找到「后松退」并輸入松退距離或體積。
步驟 4：結果比較
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果，由于模具提早充滿，使得射壓瞬間升高，螺桿卻尚未達到VP切換點。藍線為考慮松退行為，其壓力與VP位置之結果可以更接近實驗值。
2.
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果的簡單方法就是使用流域分布圖示。
1. 從Studio工作區中選擇適合的項目：
?在樹狀目錄中展開所要的組別
?在樹狀目錄中展開分析結果
?選擇結果項目，如流動波前時間、壓力或溫度等
2. 在顯示工具欄中點擊圖標，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 > 結果 > 充填分析 >粒子追蹤。可以觀察粒子從進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. 檢視充填階段時依預填料ID的粒子追蹤分布
為檢視當預填料多于一項時的熔膠充填行為，在Studio樹狀目錄中選擇組別 > 分析結果 > 充填分析 > 粒子追蹤 > 預填料ID。
3. 檢視壓縮后保壓階段的特性
注意：在壓縮成型分析中，保壓結果將不會獨立在分析結果的樹狀目錄內，而是與充填結果合并。如要觀看其結果，選擇壓縮切換之后的時間輸出。
選擇組別 > 分析結果 > 充填分析 > 壓力與密度，以顯示充填結束時壓力與溫度的分布。其翹曲應較傳統射出成型小。
展開 MSC／PATRAN、DYTRAN軟件在機電產品結構件抗沖擊強度仿真分析中的應用
應用ＭＳＣ／ＰＡＴＲＡＮ有限元前后處理軟件和ＭＳＣ．ＤＹＴＲＡＮ瞬態非線性有限元分析軟件， 在沖擊載荷情況下對繼電器及電子組件外殼進行有限元建模與強度分析，了解該結構件動態響應 過程，研究其應力分布，驗證及優化結構設計
MSC／PATRAN、DYTRAN軟件在機電產品結構件抗沖擊強度仿真分析中的應用.pdf
基于Hashin準則的木材受火后強度分析
其復雜的本構關系主要體現為在拉或剪力作用下發生 脆性破壞，而在壓力作用下發生塑性變形，且在橫紋壓力作用下變形較大，同時拉壓強度不相等。
屈服準則
木材是各向異性材料，且L、R、T三個方向的拉壓屈服強度不一樣，屬于拉壓非對稱材料。為了準確地預測木材的失效需要選擇合適的各向異性屈服準則，目前常用的各向異性屈服準則有：Hill準則，Hosford準則，Yamada-Sun屈服準則等。本采用Hashin準則作為木材的屈服準則
損傷演化準則
本文木材本構關系模型定義了兩種不同的損傷演化模型，受壓延性破壞采用理想彈塑性模型，受拉脆性破壞采用線彈性軟化模型.引入損傷變量D來描述木材的受損狀態。
溫度影響
木材隨著溫度的升高，發生不同程度的炭化，其強度、彈性模量、斷裂能也隨之發生變化。本文考慮了溫度對木材的模量、強度的影響，并且認為溫度對拉壓性能產生的影響不同。
根據上述相關理論編寫了abaqus vumat子程序，并通過單胞模型對子程序進行驗證。
下圖為不同溫度下單向拉壓結果
下圖為三點彎曲載荷下的破壞行為
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