汽车内饰件结构分析中的微观结构考量——用 Digimat-RP 优化工作流程
1927 年，Franz Schneider 博士成立了一家公司，并最终以自己的名字为它命名。如今，该公司在全球拥有 4,000 名员工，年产值约 5 亿欧元。目前已成为德国一级汽车供应商，而且正致力于将业务拓展至其他地区。我们专注于汽车内饰设计和相关设备……
1927 年，Franz Schneider 博士成立了一家公司，并最终以自己的名字为它命名。如今，该公司在全球拥有 4,000 名员工，年产值约 5 亿欧元。目前已成为德国一级汽车供应商，而且正致力于将业务拓展至其他地区。我们专注于汽车内饰设计和相关设备，旨在实现创新、质量及美学的统一。我们主要关注四个领域——汽车内饰系统、空调控制系统、内饰表面处理及车内部件。我们的工程专业知识涵盖工具制造、设备制造、注塑技术、涂装技术及装配技术。对我们来说，聚合物和塑料也是非常重要的一块业务。优质产品和卓越工程是我们的灵魂。
在生产聚合物产品时，我们所面临的一大挑战是要建立起制造工艺与结构分析仿真之间的联系。我们需要将生产工艺涉及到的产品属性作为汽车计算机辅助工程（CAE）仿真的标准。在应用过程中，必须通过试验来证明有限元分析（FEA）仿真的准确性。因此我们选择 MSC 软件的 Digimat 对纤维增强塑料（FRP）进行仿真。但是，要想获得非常准确的有限元分析预测，就需要细致的聚合物材料模型，尤其是在无法从供应商处获得确切的材料数据时。这正是 Digimat 在制造塑料零件方面大显身手之处。通过案例研究，我们将展示自己的 CAE 建模团队如何利用来自国际数据库的标准塑料材料输入对 FRP 汽车内饰件进行仿真：首先采用商用有限元分析解算器，然后采用 Digimat 的结构分析求解器和集成材料数据库（见图1）。我们确定了作用在零件（需要在Digimat 中进行检查）上的两种分别为 140N 的负载情况（图 2）。我们指定了两个场景，分别称之为“过去”（利用可以从标准文本和数据库中获得的材料属性进行有限元分析仿真）和“现在”（利用从 Digimat 及其微观结构材料数据库获得的材料属性进行有限元分析仿真）。
图 1.纤维增强塑料零件的几何形状
图 2.FRP 零件有关的两种负载情况
图 3 所示为采用 Durethan 制造的 FRP 零件的材料属性，我们首先利用国际塑料数据库的力学属性用商业有限元分析代码进行仿真。根据以往的有限元分析经验，我们将这些力学属性降低 20% 左右。图 4 中显示了针对选定的不同单元类型所得出的结构分析预测，其峰值位移范围为 11 至 29 mm。将 Durethan 的材料属性改为曲线时（即之前从标准化试块的拉伸试验中获得的曲线），峰值位移变为13 mm 左右（图 5）。
图 3.来自 FRP 零件国际塑料数据库的材料属性输入
图 4.采用国际塑料数据库输入和一阶、二阶及壳单元进行 FRP 零件的有限元分析位移预测
图 5.FRP 零件采用来自 Digimat 内部专有数据库的材料数据
因此，由以上情况可以看出，力学属性输入对于有限元分析预测能否得出正确的位移有着至关重要的作用。为检查预测值与实验值的实际接近程度，我们在上述两种负载情况下对真实的零件进行了测量（图 6），发现第 1 种情况的关键位移为 21.6 mm，第 2 种情况为 19.6 mm。
图 6.在两种负载情况下 FRP 零件实验测得的位移曲线
图 7 至图 10 所示为利用 Digimat 自带的材料微观结构数据库中的材料输入数据对同样的 FRP 零件进行仿真，通过 Digimat RP 得出的预测应力和位移的预测结果。将采用来自国际塑料数据库中材料属性的“过去”有限元分析解算器预测，与采用新增加的材料属性曲线的“现在”Digimat RP 有限元分析预测进行对比，可明显看出：在第 1 种情况下，Digimat 预测值与实验测量值的误差不超过 0.21 mm；而在第 2 种情况下则不超过 1.22 mm。与我们过去所采用的有限元分析法相比，Digimat 的偏差分别比以前缩小了 10 倍（1000％）和 4 倍（400％）。
图 7.FRP 零件采用来自 Digimat 内部专有数据库的材料数据
图 8.在 Digimat RP 中对 FRP 零件进行仿真
图 9.用 Digimat RP 对第 1 种负载情况（左）和第 2 种负载情况（右）下 FRP 部件的位移进行预测
图 10.针对上述两种负载情况下的 FRP 部件，将过去的有限元分析预测、现在的 Digimat 预测与实验测量结果做对比
总结与结论
通过我们对一个纤维增强塑料汽车内饰零件的研究可以看出，要想准确预测负载情况下的位移，就必须设法建立起工艺与结构仿真之间的联系。我们将生产工艺涉及到的产品属性考虑在内，这些产品属性必将成为汽车工业计算机辅助工程仿真工具（如有限元分析）的标准。通过实验验证的方式，我们用实验证明了 Digimat RP 在纤维增强塑料结构分析领域的分析准确性。我们认为，将材料建模技术引入到结构分析中（例如引入到 Digimat 中），即便供应商未提供精准的仿真材料数据，也一定能够改进塑料零件的质量。
