Digimat中汽车前端支架结构耦合分析

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Digimat中汽车前端支架结构耦合分析

1 概述

随着国际上对汽车排量和燃油经济性的要求日益提高，汽车的轻量化设计变得日益迫切。复合材料作为一种在上世纪被率先使用在航天航空国防领域并取得了巨大成功的高比模量、高比强度材料也逐渐被应用在汽车领域。根据去年的JEC统计，复合材料在汽车行业上的用量已经与航天航空工业基本相当，成为复合材料最重要的应用领域之一。

汽车行业中使用的复合材料往往是短切纤维增强材料，这类材料与航天航空上使用的层合板结构有显著的不同。首先，层合板结构以纤维为主要传力路径，在纤维方向上纤维和树脂往往严格遵循等应变原则，且由于多数情况下纤维的材料本构都遵循线弹性，因此在材料中树脂的塑性难以体现，采用基于等应变的混合算法可以很容易的预测其材料性能；而短切纤维增强材料以树脂为主要传力路径，纤维与树脂不存在等应变关系，需要基于Eshelby夹杂理论来预测其等效性能。

其次相比航空航天复合材料通常会采用的预成型过程（铺叠、缠绕、三维编织等），短切纤维增强树脂基复合材料往往采用注塑工艺成型，纤维的方向显著受树脂流动过程影响，在各方向上都存在一定的分布概率，且在结构的不同部位会有显著的不同。纤维的方向和分布会显著的影响材料的性能，因此短切纤维增强结构上通常存在材料刚度在结构上不均匀的情况。

因此在分析汽车上使用的短切纤维增强材料的结构性能时，需要使用多尺度耦合的方法，对结构上每一个积分点的材料刚度通过细观力学方法分别进行计算，才能准确的得到整个结构的刚度。另外采用多尺度耦合的方法还能考察结构各点纤维和树脂上的应力应变情况，从而更准确的判断结构的失效情况。下面以汽车前端支架为例介绍短切复合材料结构的多尺度耦合分析流程。

2实现方法

对于短纤维增强塑料结构的多尺度耦合分析涉及模流分析软件和结构有限元分析软件，需要事先准备的输入包括：

l  模流分析网格与结果（本例以Moldflow计算得到的纤维排向结果为例）

l  结构有限元分析模型（包含网格、边界条件等，本例以Marc为例）

通常的工作流程包括：

1．  Digimat材料模型的创建

2．  纤维排向结果映射

3．  有限元模型中嵌入Digimat材料

4．  求解

3       应用实例

目前汽车上使用的前端支架往往是采用短切玻璃纤维增强树脂制造的。对于这类复杂的薄壁加筋结构，采用短切纤维增强材料注塑工艺可以实现快速成型，而基本无需后续机加工。雷诺某车型上使用的前端支架如下图所示：

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汽车前端支架

本例中分析的汽车前端支架结构采用长径比35的短切玻璃纤维增强PP工程树脂制造成，玻璃纤维采用各向同性材料本构，PP树脂采用弹塑性材料本构，具体的材料数据如下表所示：

材料参数

玻璃纤维材料数据		PP工程树脂材料数据
密度	2.54g/cm3	密度	1.14g/cm3
杨氏模量	72GPa	杨氏模量	1.5GPa
泊松比	0.22	泊松比	0.4
纤维体积含量	19.46%	屈服强度	10MPa
纤维长径比	35	硬化模量	15MPa
		硬化指数	60

3.1Digimat短切纤维材料建模

Digimat在多尺度耦合分析中的材料建模是在Digimat-MF中完成的，打开Digimat-MF，新建一个工程后，首先确认分析类型，本例中建立的材料本构是力学本构，使用默认的Mori-Tanaka法。

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分析类型定义

之后对单相材料的本构模型进行定义，首先定义PP树脂的材料本构。

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PP树脂的材料本构选择

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PP本构模型定义

之后定义玻璃纤维的材料本构。

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玻璃纤维的材料本构选择

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玻璃纤维本构模型定义

在定义了材料之后，需要对微结构进行定义，首先我们定义PP树脂作为基体材料。

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基体相定义

之后定义增强相，增强相采用长径比35的玻璃纤维。

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增强相定义

之后保存材料模型为.daf文件。

3.2 材料方向的映射

Moldflow中计算得到的材料方向是存储在模流分析的网格上的，因此需要将该结果映射到结构分析的网格上。首先在Digimat-MAP中打开模流分析中采用的网格和Moldflow计算的纤维方向结果。

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表层纤维排向a11

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芯层纤维排向a11

本例中Moldflow计算的材料方向结果在厚度方向上被分为21层，由于在结构计算中，Marc会对每一层分配独立的积分点，因此，结构的层数越多，结构分析时的计算量越大，为了减少这一计算量，可以通过1D Map适当的对层数进行简化插值,简化为13层（对结构分析为12层）

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1D Map

由于在模流分析中通常采用的长度单位是米，因此需要先将模流分析所用的网格单位换算成毫米（坐标乘以1000）。由于本例中模流分析采用的网格和结构分析采用的网格几何形状相同，因而采用Automatic Superimpose自动匹配两个网格模型的空间位置。

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网格匹配

之后将简化后的材料方向映射到结构分析网格上，并保存成Digimat格式的材料方向结果（.daf格式）。

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材料方向映射结果对比

3.3Digimat材料在有限元模型中的嵌入

下面通过Digimat-CAE建立Digimat材料模型与Marc有限元模型之间的连接关系。在Digimat-CAE中导入MF中创建的材料模型，求解器选择Marc，导入映射后的材料方向文件，由于是壳单元模型，单元本身有自身的局部坐标，因为纤维方向的基准坐标选择局部坐标。

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Digimat-CAE设定

运行Digimat-CAE，会生出.mat、.marc和.log三个文件，其中.mat是材料模型，内容与MF中生成的材料模型相同，主要用于Marc计算过程中的材料数据调用。.marc是模型修改向导，包含Marc模型的修改方法以及自建后处理变量的名称对照。

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模型修改向导文件

下面根据向导内容对Marc的有限元模型文件进行修改。

1．      首先对Digimat-CAE生成的.mat文件重命名，为了能够让Marc识别该文件，需要将文件名改为DigimatMaterialN.mat，其中N为该材料模型在Marc模型文件中取代的材料卡片编号；

2．      删除或注释掉Marc模型文件中对截面积分点数量的定义语句（shell sect）；

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3．      在Marc模型文件中添加自定义结果变量；

state vars                  97

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4．     用Digimat材料卡片替换Marc模型中材料卡片，并根据映射的结果修改Marc模型中的层合板定义；

file:///C:\Users\user\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image035.giffile:///C:\Users\user\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image037.jpg

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5．     在Marc模型文件的后处理部分添加自定义的后处理变量。本例中定义了97个自定义变量，因此在后处理中添加97个变量（-1至-97），另外变量的参数中0代表厚度方向的均匀化结果，1代表第一层结果，2代表第二层结果，本例中为了考察结构表层和芯层上的应力应变差别，定义所有12层的后处理变量。

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3.4 求解与后处理结果

目前对于Digimat与Marc的耦合分析，有两种求解提交方式。一种是通过Digimat在新版Mentat下面的Plug-in进行材料组装，并直接提交求解，另一种如上文提到，通过Digimat-CAE生成耦合文件，手动修改Marc模型文件，最后通过Batch的方式提交求解。Batch提交的方式是Digimat与结构有限元软件耦合求解的基本方式，下面采用batch方式对本例进行求解，在Dos命令窗口中键入：

[MARC_INSTALL_DIR]\tools\run_marc.bat-j model.dat -prog [DIGI2MARC_DIR]\digi2marc

进行求解，其中model.dat为Marc模型文件，[DIGI2MARC_DIR]为digi2marc创建的目录。

在Marc Mentat 2010.2中打开结果文件可以看到由Digimat添加的自定义后处理变量，变量的具体含义参照.marc文件的名称对照。

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Mentat中的后处理变量

本例为前端支架在集中载荷下的变形分析，在结构中部施加向上的拉力载荷1000N，结构下部两个耳片的六个螺栓固定孔处施加全约束，结果的整体变形结果如下图所示。

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在1000N拉力下的整体变形结果

对于短切纤维增强复合材料结构，由于结构表层和芯层的纤维排向存在明显差异，因而我们可以在结果中看到表层和芯层上应力应变的差别。特别是通过这种多尺度的耦合方法我们可以观察到树脂材料上发生的塑性变形。

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结构芯层树脂等效塑性应变

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结构表层树脂等效塑性应变

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结构芯层纤维主方向上的应力分布

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结构表层纤维主方向上的应力分布

billbk

牛人啊，楼主你有没有用过digimat和abaqus联合仿真啊

joshua_li

太详细了  赞！