碳纤维复合材料结构分析中的虚拟试件测试



碳纤维复合材料结构分析中的虚拟试件测试

不断追求轻量化解决方案，连续碳纤维复合材料在设计上变得更加可行，现在不仅用于航空航天，而且也用于汽车行业。碳纤维增强塑料（CFRP）现在已被集成到车身结构，用于实现高刚度和强度以及轻量化。

连续碳纤维复合材料的材料特性比金属复杂得多，尤其在失效方面；每个单一部分通常由几个单向层板叠加而成，且每个都有不同纤维取向，这些都增加了其复杂性。因此，失效发生在板层（基体开裂、纤维断裂、纤维基质层脱胶）或板层之间，而这些失效机理通过试验和模拟测试进行验证。

为了预测复合材料的失效，结合有限元分析（FEA）和非线性微机械材料模型，采用了先进的模拟策略。特别采用了过程失效模型（如MLT）来保证在第一元素失效后的有效性。另外，微观尺寸的输入丰富了这些模型。

多层次建模分解了纤维与树脂之间的宏观机械状态，定义了每层失效准则及提供宏观和微观的刚度退化。将展示基于微观机理过程的失效模型如何使虚拟试件测试在结构分析中成为可能。

连续碳纤维复合材料由于具有轻量化的优势而在汽车零部件上得以广泛应用，但因其复杂特性又面临新的设计挑战，如其失效行为在理想化模拟下的特性不易被获取。因此，应用于过程失效的微机械模型与渐破坏的结合，不仅可以使人们在成分矩阵或纤维水平方面对复合材料行为有深刻的理解，同时提供了方向选择性的刚度退化，减少了试验虚拟测试。

已经在Digimat上安装了MLT模型，解决了传统层压板问题且扩展了更广泛的先进仿真工具。这些工具以最流行的FE软件为操作界面，已经成功应用于宏观损伤描述且将获取更多的微观损伤公式，从每层失效准则到组成刚度。

Benoit Bidaine et al. SAE 2014-01-0809.

编译：陈健