Sovitec是一家总部位于比利时的玻璃微珠行业的世界领先企业，其生产的玻璃微珠用于表面处理、道路标记、涂料和工程塑料方面。 该公司有意用基于玻璃微珠的方案代替现有的玻璃纤维增强技术。此外，他们希望新的方案能够在提供相同或更好材料性能的同时，降低材料生产的总成本。 在研究了几种方案之后，他们决定使用Digimat仿真软件对不同玻璃产品进行微观、宏观材料建模，以提供最佳解决方案。
过去的20年中，材料工程师对材料性能的虚拟表征（使用Digimat-MF和Digimat-FE等仿真工具）使得现在能够以相对较低的成本尝试各种材料组合（与物理试验相比）。 因此，现在可以通过仿真复合材料来选出最佳的材料组合方案。 事实上，多尺度仿真使得用户可以对复杂的、真实世界的微观结构进行深入研究，从而使工程师能够深入了解材料行为，确定影响材料性能的主要参数。因此，现代仿真软件不仅可以实现材料虚拟表征，还可以进行真正的优化。 这提供了前所未有的设计&制造方法，带来了创建新产品和新工艺的能力。
在航空航天、国防、汽车、医疗、电子、石油和天然气等行业中，先进材料，如塑料、复合材料、硬质金属、橡胶和纳米材料正不断面临性能改进和集成更多功能的挑战。这些材料通常被设计成多相，除了它们的优势，这类材料也带来了极大的未知性和复杂性，这对材料工程师来说是一个巨大的挑战。 不幸的是，它们还通常表现出非常规特性（非线性、各向异性、工艺依赖），这使得在制造过程中对其进行描述和控制变得非常困难，成本变得昂贵。
因此，需要在投入高成本制造之前，对材料的性能进行仿真建模。 微观力学对多相材料的有效的仿真 微观力学是一门描述各种真实尺度材料的科学。 材料可以描述为按照给定的微观结构的若干相组合。 因此，微观结构可以作为建模材料特性的自变量。材料工程需要两项互补技术： 结合两种均质技术，可以用材料的微观结构来反应宏观特性（见图1）。 图 1 : 仿真软件(Digimat)中的均质化工作流程 平均场均质化（在本例中用Digimat-MF仿真软件）使用一种解析方法来计算材料的响应（请参见图2）。 因此，计算机仿真是进行材料筛选和预测微观结构对非线性材料性能影响的高效解决方案。 这种仿真方法通常用于表征短纤维增强塑料从纤维完全一致排列到完全随机排列等不同状态下的特性。 图 2 : 使用平均场均质化获得纤维取向对短纤维增强塑料非线性特性的影响 先进材料仿真中的另一个需求是用于多相材料的端到端仿真工具（例如Digimat-FE）。 基于材料输入和微观结构定义，可以在Digimat-FE中建立并运行有限元模型。 然后，可以用概率分布函数的形式对有限元分析仿真结果进行后处理，从而深入了解代表体单元（RVE）的细节。 最后，可以计算出平均值，并将其用于随后的宏观结构件的有限元分析（例如，图3）。 图 3 : 基于有限元的均质化工作流程 Sovitec仿真玻璃微珠替代玻璃纤维 本案例中，Sovitec首先利用Digimat对两种不同增强相的实验数据进行校准：30％质量分数的玻璃纤维和30％质量分数的玻璃微珠增强的PA6聚合物。 基于这两种材料模型，在Digimat-MF中进行了虚拟材料复合仿真，寻找可能的新型复合材料。 在确定了可能符合要求的材料后，使用Digimat-FE进行多种更深入的微观仿真研究（图4）。 图 4 : 对新的材料组合的深入研究 Sovitec发现，最佳的增强材料方案是15％玻璃纤维和15％玻璃微珠的组合。这种材料的优势包括：与全纤方案相同的刚度、玻璃微珠带来的热性能各向同性，同时由于降低了纤维应力水平而提高了断裂强度。 一旦Sovitec将上述新材料推向市场，将实现单部件成本降低20％，部件循环时间减少29％，并同时改善机器的耐用性，由此节省大量成本。 关注MSC官方公众号
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发表于 2020-9-15 10:43:28
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