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碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中的虛擬試件測試

不斷追求輕量化解決方案，連續(xù)碳纖維復(fù)合材料在設(shè)計上變得更加可行，現(xiàn)在不僅用于航空航天，而且也用于汽車行業(yè)。碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）現(xiàn)在已被集成到車身結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)高剛度和強(qiáng)度以及輕量化。

連續(xù)碳纖維復(fù)合材料的材料特性比金屬復(fù)雜得多，尤其在失效方面；每個單一部分通常由幾個單向?qū)影瀵B加而成，且每個都有不同纖維取向，這些都增加了其復(fù)雜性。因此，失效發(fā)生在板層（基體開裂、纖維斷裂、纖維基質(zhì)層脫膠）或板層之間，而這些失效機(jī)理通過試驗(yàn)和模擬測試進(jìn)行驗(yàn)證。

為了預(yù)測復(fù)合材料的失效，結(jié)合有限元分析（FEA）和非線性微機(jī)械材料模型，采用了先進(jìn)的模擬策略。特別采用了過程失效模型（如MLT）來保證在第一元素失效后的有效性。另外，微觀尺寸的輸入豐富了這些模型。

多層次建模分解了纖維與樹脂之間的宏觀機(jī)械狀態(tài)，定義了每層失效準(zhǔn)則及提供宏觀和微觀的剛度退化。將展示基于微觀機(jī)理過程的失效模型如何使虛擬試件測試在結(jié)構(gòu)分析中成為可能。

連續(xù)碳纖維復(fù)合材料由于具有輕量化的優(yōu)勢而在汽車零部件上得以廣泛應(yīng)用，但因其復(fù)雜特性又面臨新的設(shè)計挑戰(zhàn)，如其失效行為在理想化模擬下的特性不易被獲取。因此，應(yīng)用于過程失效的微機(jī)械模型與漸破壞的結(jié)合，不僅可以使人們在成分矩陣或纖維水平方面對復(fù)合材料行為有深刻的理解，同時提供了方向選擇性的剛度退化，減少了試驗(yàn)虛擬測試。

已經(jīng)在Digimat上安裝了MLT模型，解決了傳統(tǒng)層壓板問題且擴(kuò)展了更廣泛的先進(jìn)仿真工具。這些工具以最流行的FE軟件為操作界面，已經(jīng)成功應(yīng)用于宏觀損傷描述且將獲取更多的微觀損傷公式，從每層失效準(zhǔn)則到組成剛度。

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

編譯：陳健