案例分享 | Digimat用于碰撞、冲击模拟热塑性塑料材料解决方案- 大数跨境

庭田科技

2025-01-10

摘要

为了准确预测零件强度和吸收能量，Envalior通过高应变率拉伸实验创建了Digimat材料卡片。Digimat材料卡片能够模拟各向异性粘弹性/粘塑性材料行为。此外，材料卡片中包含失效指标，使用户能够通过有限元分析（FEA）结果的后处理快速轻松地识别关键位置。

引言

在设计承重部件时，可预测性是关键。可预测性缩短了开发时间，实现了首次正确的设计，并确保了零件在使用中的性能。虽然大多数拉伸杆实验都是在低应变率下进行的，并且用于静载荷情况，但本用例侧重于模拟注塑玻璃纤维增强塑料的高应变率各向异性应力-应变行为。这些类型的测量是准确评估碰撞和跌落测试性能所必需的。在有限元模拟中使用材料性能建模的结果，并将模拟结果与实验验证进行比较。

基础材料属性建模

正确的建模能够引导设计，同时减少设计迭代次数。纤维增强塑料通常具有高度各向异性，对性能有显著影响。因此需要考虑局部纤维取向和由此产生的性能影响。

先进的建模工具可以成功预测：

• 纤维取向

• 纤维取向对材料力学行为的影响

• 零件性能：例如刚度、强度、碰撞、噪声、振动和声振粗糙度（NVH）、尺寸稳定性、蠕变、疲劳等

大多数拉伸试验是在约0.001 s-1的应变率下进行的。在较高的应变率下，热塑性材料的应力-应变行为会发生显著变化，表现出刚度和强度的增加。因此，使用从不同取向（0°、45°和90°）的注塑板铣削而成的拉伸杆试件，在0.001至100 s-1的范围内进行了应力-应变试验。

在高应变率测试中进行精确的应变评估并非易事。目前最先进的技术是使用数字图像相关方法。这是一种非接触式的基于图像的技术，需要用高分辨率、高帧率的相机记录试样表面变形。图像分析软件用于从这些图像中评估应变场。为了获得准确的结果，需要一个具有独特特征的图案的试样表面。这是通过使用黑色和白色油漆层喷漆创建的（见下图A）。

图 A

基于高应变率实验，我们开发了Digimat材料卡片，对各向异性粘弹性/粘塑性材料行为进行了建模。Digimat是一个使用微观力学的多尺度材料建模平台，用于复合材料的精确建模。我们可以和客户共享材料卡片，并与所有主流的有限元分析软件工具兼容。

实验结果和分析

为了证明我们的材料卡片在预测注塑零件碰撞性能方面的准确性，我们制作并测试了x型肋梁演示零件。

各种测试样品用Akulon®K224-PG6和Akulon™K224-PG8注塑成型，并在动态三点弯曲装置中进行测试。

x型肋梁演示零件安装在圆柱形支架上。将半球形冲击器从0.5米的高度掉落到x型肋梁上。

在图B中，我们展示了测试后Akulon K224-PG8材料梁的失效。失效始于承受拉力的底部法兰。对于试样#4和#6，失效发生在中心位置，对于试样#5，失效发生得稍微偏离中心。

图 B

有限元模型建立和分析结果

我们创建了测试装置的有限元分析模型。基于模具尺寸构建了详细的有限元分析几何结构。具有高应变数据的Digimat各向异性材料卡片对于正确描述材料的性能至关重要。

有限元模拟显示了几何体底部的最高拉力。其幅值变得非常高，以至于发生了零件的断裂。如失效指标轮廓图（下图C）所示，法兰底部的临界区域（失效指标值高于1.0）与测试零件中观察到的失效位置一致。

图 C

力的相关性

图D所示的Akulon K224-PG6和Akulon K2 24-PG8的力-位移曲线具有很好的相关性。

图 D

吸收能量的相关性

图E显示了Akulon K224-PG6和Akulon K2 24-PG8的吸收能量-位移曲线具有良好的相关性。

图 E

总结

我们对x型肋梁演示零件的验证研究表明，实验和模拟之间在初始裂纹位置以及力-位移曲线，吸收能量-位移曲线在定量方面都非常一致。这证明Digimat材料卡片能够使我们的客户能够获得准确的模拟结果。

Envalior是热塑性材料科学的全球领导者，提供全套一流的热塑性塑料材料解决方案和全球应用开发支持。通过创新和市场领先的可持续产品，我们让创意变为现实。我们推动进步，建设一个更美好、更环保的世界。这只能通过与我们的客户和利益相关者的深度合作来实现，他们对更美好的未来有着共同的愿景。我们的产品和创新的新材料通道是可持续的、有目的的和循环的，旨在让世界变得更美好。在不断变化的环境中，许多挑战有待解决，但我们相信，我们的高性能、安全和轻便的解决方案将塑造新移动、先进电气和电子以及许多其他行业的未来。