CETMA是一家位于意大利Brindisi的研究机构,旗下拥有65名工程师和15个实验室,研究涉及虚拟现实、3D打印、电子&机器人、视觉技术、复合材料、智能材料&结构检测、建筑、物化分析等众多领域。
目的
为了减少物理试验件数量,验证数值工具预测新材料力学性能的能力。CETMA采用虚拟测试的方法,联合少量物理测试,较高精度的预测了混杂热塑性复合材料的试样级(Coupon)强度。
许用值作为材料基础性能参数,在复合结构设计中被广泛使用,用以代表给定复合材料体系、结构下的统计值。而作为量化材料强度的许用值,通常需参照相关标准进行多种试样的测试表征,以航空航天业常用的A-&B-许用值为例,其定义如下:
A-Basis(T99)- 总体中99%的材料值大于/等于该值(95%置信度)。
B-Basis(T90)- 总体中90%的材料值大于/等于该值(95%置信度)。
材料体系
此次验证的混杂热塑复合材料体系由PEEK(聚醚醚酮)、PEI(聚醚酰亚胺)2种基体构成,其中主铺层为PEEK+AS4预浸料(UD单向带,0.14mm),主铺层间为PEI薄层(0.0508mm),名义厚度0.2416mm,实际厚度0.25mm~0.26mm,结构示意如下:
相关材料性能:
虚拟测试流程
为了完成复合材料许用值计算,需要综合计入材料性能、工艺、测试、环境等诸多因素影响,引入上述因素的扰动。在此基础上,批量生成、提取虚拟样本, 计算样本强度并统计,获得A-&B-许用值。
材料建模
虚拟测试需建立多尺度材料模型并预测/验证其强度,以AS4/PEEK为例,其纤维体积含量(FVR)为60%,比较Digimat-MF、测试(Solvay APC-2)的多尺度分析结果可见,Digimat-MF较准确的预测了该材料体系的工程常数、强度等性能。
将上述多尺度材料模型导入Digimat-VA中,材料组分参数、等效S-S曲线等结果显示如下:
PEI层的材料建模类似,不同之处在于:
- Digimat-MF建模采用线弹性(Elastic)模型
- 纤维体积含量设置为微小值:Vf=1e-5
- Digimat-VA定义了2种失效准则:
- 拉伸/压缩采用Multi-component 2D power law
- 剪切采用Multi-component 2D power law
变异参数设置
为了生成复合材料的统计学模型,需设置影响材料性能的统计参数(概率分布类型、变异系数),主要包括:组分、工艺和测试条件。
测试矩阵
在完成材料体、铺层定义、测试类型、环境态等各项设置后,即可生成虚拟测试矩阵并提交计算。
结果讨论
以Laminate 3、Laminate 3s和Unidirectional三种层合板为例,虚拟试样L-D曲线见下图。相关参数的扰动导致虚拟试样的模量、强度等发生变异,模拟了物理测试的离散性。
此外,比较虚拟/物理测试结果,可见虚拟测试较准确的预测了失效位置/模式。
对虚拟样本强度值进行统计,A-&B-许用值及误差见下表:
在以上无缺口试样许用值校验的基础上,还对其他类型试样(采用相同材料模型)进行了计算,包括:FHT、OHC和低能量冲击测试。
虚拟测试还评估了不同冲头直径(能量)情况下,损伤区域的凹坑大小。
Laminate 3 [90,45,0,-45]s | |
Laminate 4 [45,-45,0,90,45,-45]s | |
冲击能量 | 100% 71% 41% 30% 12% |
结论
此次虚拟测试总计:
144个虚拟试样,4种混杂铺层。
计算时长总计48hrs(含前/后处理,纯物理测试~1周)。
结果显示Laminate 3具有最大拉伸强度/许用值,Laminate 3s 具有较高的拉伸模量。
实验结果(Applus)被用于评估预测误差,结果显示:
虚拟测试强度/模量预测误差<4%。
FH和OH强度误差<5%。
此次仿真/测试对比验证了Digimat减少物理测试、预测新材料许用值的能力,表明该分析方法/工具可用于相关材料体系的性能预测。