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使用Digimat-RP提高FEA仿真部件压接问题精确度

2022/2/8    来源:MSC软件    作者:佚名      
关键字:仿真  部件压接  FEA软件  
短切纤维增强塑料(SFRP)结构件的分析结果往往误差较大。其中一个重要原因是SFRP材料常呈现非线性,而通用FEA软件无法提供准确的材料模型。
问题描述

       目前,短切纤维增强塑料(SFRP)结构件的分析结果往往误差较大。其中一个重要原因是SFRP材料常呈现非线性,而通用FEA软件无法提供准确的材料模型。

       此次对标,主要验证压接结构纵轴的载荷-位移曲线特性,下图中三条虚线为测试结果,实线为通用FEA仿真结果。后续工作将使用Digimat-RP提高FEA预测精度。

测试结果

图1 测试结果

       关于短切纤维增强复合材料(SFRP,short fiber reenforced plastics)

       SFRP材料非线性体现为时间、温度依赖。测试结果表明:SFRP材料低温下呈现线性,高温下呈现非线性;高应变率下呈现线性,低应变率下呈现非线性。此外,材料中短切纤维的取向分布还会导致材料呈现各向异性。

       压接问题作为典型的非线性问题,使用线性材料模型或不准确的非线性材料模型都会导致预测结果误差偏大。

SFRP材料测试结果

图2 SFRP材料测试结果

试验件测试 & FEA模型

       测试中,压接部件为金属电枢以及塑料件制成的压杆,塑料压杆被测试机推入金属电枢中,测试重复3次。FEA模型中建立电枢和压杆模型,两者间为140微米过盈配合。

试验件测试

图3 试验件测试

分析流程

       采用Ansys workbenck进行FEA有限元分析,使用Digimat-RP进行材料映射。

       第1步:在Ansys中进行网格和模型生成,定义载荷,边界条件,接触等参数。

       第2步:将网格导入Digimat界面,并进行纤维取向的导入。此步工作可以选用两种方式完成:导入外部的模流分析结果,或者在Digimat中运行内嵌的Moldex3D分析来预测纤维取向。此项工作中采用第二种方式预测纤维取向。随后Digimat进行材料映射并生成接口文件提供给Ansys程序。

       第3步:在Ansys workbench中,将FEM模型与Digimat生成的.mat和.dof文件关联并进行分析。FEM模型总计18万个二阶或高阶单元,使用四核计算,耗时约3小时。

采用Ansys workbenck进行FEA有限元分析过程

图4 采用Ansys workbenck进行FEA有限元分析过程

分析结果

       误差最大的红实线为使用线性材料模型分析的初始结果(仅使用Ansys分析),绿实线为采用非线性材料(J2塑性材料)并考虑纤维取向的结果,误差~5%。深红色实线为仅考虑材料非线性,不考虑部件内纤维取向分布的分析结果,分析误差~30%。另外验证的2个部件,分析精度同样出色,保密原因,此处不做展示。

误差分析

图5 误差分析

总结

       ●Digimat-RP结合Ansys分析,可精确模拟压接过程的支反力,Digimat提供的材料模型成为提高仿真精度的关键。

       ●同时计入材料非线性(J2 plasticity)、纤维取向分布后,压接结构仿真误差可控制至~5%,如不考虑纤维取向分布差异,则仿真误差将扩大至15%~30%。
 
责任编辑:程玥
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