应用案例

CETMA混杂热塑复合材料许用值虚拟计算

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……




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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




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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:

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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。


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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:

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PEI层的材料建模类似,不同之处在于:      






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- 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。


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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。


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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。

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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:

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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。


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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。

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Laminate 3

[90,45,0,-45]s

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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。