文章來源: Altair Blog
此文章由CONVERSE開發人員PART Engineering的常務董事Wolfgang Korte博士撰寫 。PART Engineering是Altair合作夥伴聯盟的成員。
在進行短纖維增強塑料零件的有限元分析時，考慮成型過程很重要。各向同性分析的常用方法是使用折減係數對零件進行整體“塗抹”的剛度，從而導致較大的不確定性。相比於精度的提高和由此帶來的更高的評估安全性，集成模擬方法所需的額外工作是合理的。
但是，一般而言，熱塑性聚合物和短纖維增強級的特定材料性能使分析變得複雜。此處的關鍵參數是由纖維取向和材料阻尼導致的材料行為各向異性。
由於由短纖維增強聚合物製成的組件的性能對纖維取向有一定的依賴性，因此使用集成模擬進行整體考慮對於精確的計算評估是必要的。注射成型仿真可以在部件中提供所需的局部纖維取向。使用CONVERSE，可通過注塑成型仿真獲得纖維取向，並應用多尺度材料模型來考慮纖維取向對部件機械性能的影響（圖1）。
具有CONVERSE的CAE工作流程
這些模型允許根據複合材料組成部分（例如基體聚合物和增強纖維）的材料性能來計算其性能。由於微觀模型對於宏觀零件不可行，因此使用均質化方法。
均質化方法基於復合材料成分的機械性能及其空間構型來計算複合材料的各向異性，而無需對每個成分進行微觀建模。這樣，對於有限元模型中的每個元素，都會考慮特定的材料行為。為了校準材料模型，例如定量確定模型參數，進行了實驗測試。
為此，從注塑成型的測試板以與流動方向不同的角度獲取示例，並在短期拉伸測試中進行測試。此外，我們進行了彎曲振動測試，以確定頻率相關的模型阻尼因子。
驗證部分
模擬結果在由50％玻璃纖維聚酰胺製成的汽車發動機支架上進行了實驗驗證。發動機支架安裝在鋁製曲軸箱上（圖2）。
圖2：曲軸箱上發動機支架的FEM模型和測試配置（來源：戴姆勒）
使用3D掃描激光振動計記錄振動響應。測量了整個部件表面上的加速度。這揭示了自然頻率，自然模式和響應行為。
在圖3中，以標準化形式比較了在不考慮纖維取向的情況下也進行的各向同性有限元分析的結果：100％與測量相關。
圖3：計算和測量的發動機支架固有頻率（來源：戴姆勒）
對於各向異性模擬，計算和測量的固有頻率之間的相對偏差在2％至5％之間，而對於各向異性模擬，與測試相比，觀察到的偏差約為20％至34％。各向同性分析計算出的固有頻率明顯過高。在測量和仿真之間的比較中，自然模式動畫的視覺評估也顯示出很好的相關性。
準確性和努力之間的極佳權衡
使用各向異性線性彈性材料模型和全局頻率相關的阻尼因數對材料行為的相當簡單的描述，可以很好地預測與測量相關的振動行為。更精細的材料模型（如粘塑性模型）不一定會導致更精確的模擬結果。必須記住，對於頻域中的有限元分析，無論如何都要進行線性化，並且位移和應變很小。
由CONVERSE生成的預均質材料卡允許使用求解器內置的標準材料模型，從而使有限元分析高效，數值穩定且快速。因此，該應用程序也適用於大型模型。CONVERSE是一種易於使用的軟件，即使對於偶爾的非專家用戶，它也允許此處描述的工作流的面向實踐的應用。
可以通過Altair合作夥伴聯盟訪問CONVERSE。有關更多信息，請註冊我們的網路研討會，該研討會將於4月16日（星期四）舉行。
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