[发明专利]长纤维增强热塑性复合材料多尺度仿真方法

说明书

本发明公开了一种长纤维增强热塑性复合材料多尺度仿真方法,为解决长纤维增强热塑性复合材料由于应变率效应和各向异性的力学特性在仿真中很难准确模拟的问题，步骤：1.对LFRP平板进行不同方向不同应变率下的拉伸试验；2.对LFRP平板测试区域进行x射线CT扫描；3)对LFRP平板进行多尺度仿真验证：1)粘弹粘塑性材料模型及失效；2)仿真验证：使用ABAQUS软件与Digimat软件耦合建立仿真有限元模型，仿真计算三个应变率下的拉伸试验，其中0.001s^‑1和1s^‑1采用隐式算法，100s^‑1采用显示算法；令有限元样件模型一端固定，另一端延长度方向施加载荷，仿真计算得的各力学特征曲线与试验数据进行对比。

技术领域

本发明涉及属于汽车用复合材料研究领域的一种仿真方法，更确切地说，本发明涉及一种长纤维增强热塑性复合材料多尺度仿真方法。

背景技术

注射成型工艺作为多数LFRP(长纤维增强复合材料)汽车零部件的加工方法，不仅适用于复杂的几何形状并能将多个部件集成。在加工过程中，由于纤维方向在不同位置及厚度上的分布是变化的，材料表现出各向异性的力学特性。现有的CAE仿真中通常使用由缩放因子修正的各向同性材料，为了提高LFRP的设计效率和满足结构抗撞性要求，有必要研究高精度且考虑应变率效应的LFRP 模拟方法来预测其力学行为和失效。

LFRP的多尺度模拟的目的在于依据复合材料细观力学理论，构建一个包含各相材料本构和细观参数的具有等效力学特性的材料模型。相较于宏观各向异性的本构模型，多尺度模拟能充分考虑材料细观结构的影响，模拟地更加细致准确。另外，相较于体现材料详细纤维基体结构的细观力学模型，多尺度模拟可以进行复杂形状和大尺寸结构的仿真计算，显著提高计算效率，节约建模成本。

Digimat是一款多尺度材料模拟软件，适用于预测弹性和非线性异质材料的本构关系。该软件使用基于Eshelby夹杂理论的均一化方法和Mori-Tanaka模型进行细观力学计算，生成考虑注射成型纤维方向的细观材料模型给后续的有限元分析。

Zeng利用Digimat-ABAQUS耦合分析预测30％LFRP注射平板的材料特性，并且评价了复杂仪表板的NVH性能。此外，他还建立了考虑厚度上变化的纤维分布和纤维成束影响的材料模型。Wedgewood构建了能够体现非线性应变率相关、各向异性和失效的LFRP模型，使用弹性-粘塑性材料模型(EVP)模拟基体材料，然而，CAE验证的材料响应比试验数据偏软，失效预测需要进一步改进。

发明内容

本发明为了解决长纤维增强热塑性复合材料由于应变率效应和各向异性的力学特性在仿真中很难准确模拟的问题，提供了一种考虑应变率效应长纤维增强热塑性复合材料多尺度模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的长纤维增强热塑性复合材料多尺度仿真方法的步骤如下：

1)对LFRP平板进行不同方向不同应变率下的拉伸试验：

(1)截取试验样件；

(2)力学性能试验；

2)对LFRP平板测试区域进行x射线CT扫描；

3)对LFRP平板进行多尺度仿真验证：

(1))粘弹粘塑性材料模型及失效；

(2)仿真验证：

使用ABAQUS工程模拟的有限元软件与Digimat软件耦合建立仿真有限元模型，仿真计算三个应变率下的拉伸试验，其中0.001s^-1和1s^-1采用隐式算法，100s^-1采用显示算法；创建部件、定义材料属性、定义截面属性、设置分析步、定义载荷和边界条件，进行计算分析，最后对结果分析，仿真计算得到的各力学特征曲线与试验数据进行对比。