Digimat中Mucell结构耦合分析

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Digimat中Mucell结构耦合分析

1 概述

随着轻量化的概念在各个行业中的得到普遍的接受，制造更轻更省油的交通工具，生产更轻便的工具成为了各行业普遍追求的目标。Mucell微发泡技术正是在这样的技术潮流中诞生的一种轻质材料成型技术。通过在塑料材料内部原位发泡，可以生成这种多孔材料，同时由于这种发泡过程是在材料注射过程中发生的，因此发孔和成型同时完成，从而可直接获得最终产品。这种技术目前已经逐步在诸多民用领域得到应用，例如汉高生产的汽车B柱填充增强物就采用了这种原位发泡技术。

Mucell工艺合成的材料降低材料密度和减少材料用量的同时也会对材料性能造成一定的影响。因此Mucell材料的选择实际上是在减重和降低机械性能之间的一种权衡，即在满足基本机械性能要求的前提下最大程度的追求比强度、比模量以及最低的成本。普通的Mucell材料，即在单质树脂基体上原位发泡的材料，通常在降低密度的同时，刚度和强度会有少量的降低，但断裂应变会受到较大幅度的影响。下图为PP材料发泡后的性能变化图（来自Microcellular Processing,Kelvin， Okamoto 2003年著）。

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PP材料发泡后的性能变化

为了改善普通Mucell材料的性能，基于短切纤维增强树脂的原位发泡技术成为Mucell技术的一种新发展。实验数据表明，基于短切纤维增强塑料进行原位发泡在降低材料密度的同时，对材料刚度和强度只有轻微削弱，同时断裂应变也不会受到严重的削弱，甚至由于球型空洞的存在对纤维夹杂造成的应力集中有缓解作用，因此断裂应变甚至有轻微提高的可能。下图为33%的玻璃纤维增强PBT经发泡后的材料性能变化（来自Microcellular Processing, Kelvin， Okamoto2003年著）。

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PBT-GF33 发泡后的性能变化

无论对于普通的Mucell材料还是加纤的Mucell材料，发泡都会对材料的性能造成影响，并且由于发泡过程是与注塑过程同时发生的，因此通常Mucell材料制造的结构上早成型的部位孔隙的尺寸较小，晚成型的部位孔隙的尺寸较大，这就使得孔隙含量在结构上存在明显差异，这就导致材料性能也在结构各处有明显差异，因此这种材料对传统的CAE技术具有较大的挑战。

Digimat所使用的多尺度材料建模技术能够有效应对这一问题。通过改进的Mori-Tanaka法能够准确预报孔隙夹杂条件下材料的非线性性能；通过与模流软件（如Moldex3D）的耦合，能够将模流软件计算出的发孔情况映射到结构网格的每一个积分点上；通过细观力学算法与有限元法的紧耦合迭代可以实现针对有限元模型的每个积分点，基于映射得到的孔隙率单独计算材料性能，从而实现对Mucell材料制造的结构性能的准确预报。

本文将以普通Mucell材料为例，介绍多尺度分析技术在此类材料的结构性能分析方面的应用。

2实现方法

由于Mucell工艺采用的是原位发泡技术，发泡量与树脂在模具中的时间有关，因此Mucell工艺制备的产品中，发泡的分布通常是不均匀的。目前有些模流分析软件能够计算Mucell工艺产生的发泡量（发泡的体积含量）的分布情况。对于发泡材料的力学性能预报，Digimat-MF中提供了孔洞夹杂的夹杂相描述方式来描述。

对于Mucell结构的多尺度耦合分析需要事先准备的输入包括：

l  模流分析网格与发泡结果（本例以Moldex3D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．  发泡分布结果映射

3．  有限元模型中嵌入Digimat材料

4．  求解

3应用实例

    下图为一个Mucell工艺成型的典型容器的示意图，模型及模流分析结果由台湾科盛公司（Moldex3D）提供，容器底部中心为注塑口。

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Mucell成型典型容器结构

模型底部施加全约束，上部四个角上分别施加20N的集中载荷。

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载荷约束情况

本例中分析的容器结构使用了基于PP树脂的原位发泡技术，PP树脂的材料性能如下表所示：

材料参数

密度	1.14g/cm3
杨氏模量	1.5GPa
泊松比	0.4
屈服强度	12MPa
硬化模量	15MPa
硬化指数	100
线性硬化模流	10

3.1 Digimat发泡材料建模

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

创建PP材料，PP材料的材料模型选择带有线性硬化的J2弹塑性模型。

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PP本构模型定义

在微结构的定义中选择PP作为基体材料，增强相选择Void，Void的形状为正球形（长径比为1），Void的含量此处可随意定义，在耦合计算中这一参数将读取具体积分点上的工艺分析结果。对于球形空隙不存在方向问题，因此夹杂相方向可随意定义。之后保存材料模型为.daf文件。

3.2 发泡结果的映射

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发泡体积含量的映射

由于通常模流分析使用网格都会与结构分析使用的有一些差异，因此通常需要将工艺分析的结果从模流分析的网格映射到结构分析的网格上。可以观察到，由于发泡是与注塑同时发生的，因此在容器的底部，发泡的空隙率比较低，在容器的顶部空隙率比较高，这显然会影响该处的材料性能。

值得注意的一点是，从上面的材料定义过程到这里的映射过程，对于发泡的描述都只有体积含量一个参数，并不考虑单个空隙的具体尺寸，这是因为均匀化算法只能考虑空隙在材料中占据的比例，而不能考虑具体单个空隙的尺寸。

最后将映射后的发泡结果保存成Moldex3D或Digimat的格式。

3.3 Digimat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，导入映射后的发泡结果文件。

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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。根据.marc文件中的说明对Marc模型文件*.DAT进行修改，主要包括添加变量个数，材料卡片以及后处理的自定义变量。生成的材料文件（*.mat）需改名为DigimatMaterial1.mat，其中的数字与材料卡片中的材料编号对应。

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Marc模型文件的修改

3.4 求解与后处理结果

下面采用batch方式进行求解，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 2012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。整体变形结果如下图所示，可以注意到由于发泡的不均匀性导致结构的刚度并不对称。

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整体变形结果

另外由于采用了多尺度技术，因此在对Mucell材料的强度预测方面我们可以直接获得树脂基体上的平均应变。这一结果对结构强度的判断有重要意义。

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树脂上的1方向的平均正应变

通过上面的分析可以发现，通过Digimat与Marc的结果，将多尺度技术用于Mucell工艺成型的结构的机械性能分析能够有效的考虑Mucell工艺过程中的发泡不均匀情况，准确预报这种结构的机械性能。

4 参考信息

适用版本：Digimat5.0.1，4.4.1之后的其它版本需另存为当前版本的格式后使用

          Marc 2010.2、Marc2012

billbk

大神有没有digmat和abaqus联合仿真的例子啊？