1、IM汽车行业100 2023年增刊考虑玻纤取向及熔接线特性的尾门内板 冲击性能分析徐德奎1，茅菁1，卢家海2，潘锋2（1.延锋彼欧汽车外饰系统有限公司，上海 201805；2.迅仿科技（上海）有限公司，上海 201403）摘要：本文基于 Digimat 软件，开展考虑玻纤取向和熔接线特性的注塑玻纤复合材料尾门内板冲击性能分析。通过不同角度及熔接线准静态和动态力学性能试验，结合逆向工程，建立了考虑应变率效应、各向异性及失效的注塑玻纤复合材料多尺度本构模型，并应用于尾门内板冲击性能工艺-结构联合仿真分析。仿真与试验结果对比表明，考虑玻纤取向及熔接线特性的冲击性能耦合分析准确预测了尾门内板的变形及开
2、裂情况。关键词：玻纤取向；熔接线；尾门内板；冲击性能；多尺度本构1引言注塑玻纤增强复合材料因其密度小、韧性高、成型快、成本低和可重复等优点，在航空航天、汽车和电子电器等领域具有广泛的应用1。对于注塑玻纤增强复合材料，由于注塑填充过程中模流的流动作用，产品不同位置的玻纤取向分布存在差异，进而影响成型制品的性能2。当前的结构性能 CAE 分析中，对玻纤取向分布有两种考虑方式，一种是忽略玻纤分析的差异性影响，采用基于注塑样条试验结果打折或者 45方向试验结果作为仿真分析参数进行输入；一种是采用模流+映射的方法，充分考虑工艺过程对于玻纤取向差异性的影响，分析注塑玻纤产品的刚强度性能。分析与试验结果对比
3、表面，考虑玻纤取向的分析结果预测精度更高3。注塑过程中，熔接线是由两股料流汇合产生的，会影响成品的整体性，同时其强度性能也会显著降低4。在产品强度性能仿真分析中，应考虑该成型因素的影响。本文基于多尺度材料仿真分析平台 Digimat，开展考虑玻纤取向及熔接线特性的注塑玻纤复合材料尾门内板冲击性能分析。通过试验，多尺度建模及逆向参数识别，建立考虑应变率效应，各向异性及熔接线特性的注塑玻纤复合材料多尺度本构模型，应用于尾门内板冲击性能分析中，预测产品变形及失效情况。2复合材料力学性能试验本研究所用注塑玻纤增强复合材料为 PPGF40。试验所用样条基于图1所示的样板，在取样区域进行切割得到，厚度为
4、3mm。根据样板加工过程中流体的流动方向，定义模流的 1 方向沿流动方向，即样板的长度方向，2 方向垂直于流动方向，为样板的宽度方向。取样的角度定义为 0方向沿流动方向，90方向垂直于流动方向。本次汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 101试验样条分别沿 0、45、90三个方向进行取样。为了考虑冲击过程中，应变率效应的影响，规划了 0方向1/s，20/s 及 200/s 3 个高应变率下的动态试验。准静态及高速拉伸试验样条尺寸如图 2 所示。为了考虑熔接线对复合材料强度性能的影响，设计如图 3 所示的样板，浇口位于样板的两端，流体最终在样板的中心位置汇合，形成熔接线。样板的中间区域为试验样
5、条，厚度为 4mm。通过对样条进行拉伸试验，获取熔接线强度性能。图 1取样样板及相关方向定义示意图图 2试验样条尺寸试验得到的准静态加载下不同方向样条应力-应变曲线如图 4 所示。由图中结果可以看到，注塑得到的玻纤增强热塑性复合材料具有典型的各向异性特性，0方向力学性能优于 45及 90方向。图 3熔接线样板示意图图 4不同方向准静态加载下应力-应变曲线试验得到的不同应变率下的应力-应变曲线如图 5 所示，由图中结果可以看到，该材料的力学性能具有应变率效应特性。随着应变率升高，承载能力增大。图 5不同应变率加载下应力-应变曲线试验得到的熔接线应力-应变曲线如图 6 所示。由图中数据可以看到，熔
6、接线强度约为本体材料的 0.25 倍，显著低于本体材料强度特性。图 6熔接线应力-应变曲线 IM汽车行业102 2023年增刊3复合材料多尺度本构建模及验证3.1多尺度建模Digimat-MF 模块提供多尺度预测模型，基于基体及玻纤力学性能、质量分数和玻纤取向张量，通过 Mori-Tanaka 方法，预测得到复合材料宏观力学性能。本文中玻纤采用各向同性线弹性模型进行建模，基体 PP 采用考虑应变率效应的弹塑性模型进行建模，塑性模型采用 J2本构模型。基于 Moldflow 仿真分析，得到如图 7 所示样板取样区域中心点的玻纤取向张量。在取样样板中，玻纤取向沿厚度方向分布呈现明显的对称特性。图
7、7取样区域玻纤取向张量仿真分析结果为了考察失效情况，多尺度建模采用基于应变描述的Tsai-Hill 横观各向同性失效准则，失效机理定义为 FPGF（First Pseudo-Grain Failure）。3.2基体本构参数逆向识别在多尺度建模过程中，长径比、基体本构参数及复合材料失效参数无法直接获取，Digimat-MX 提供基于试验结果，逆向得到相关参数自动化工具。本文基于试验得到的 0、45、90拉伸试验应力-应变曲线，逆向得到的预测结果与试验结果的对比如图 8 所示。由图中结果可以看到，逆向得到的本构参数可以准确的描述该材料的弹塑性特性。在弹塑性逆向识别的基础之上，Digimat-MX
8、支持失效参数逆向识别。逆向识别失效本构参数结果见表 1。图 8逆向识别应力-应变曲线与试验结果对比 表 1逆向识别失效本构参数结果参数XYS数值0.0260.0420.087基于图 5 所示不同应变率下试验结果，拟合得到基体弹性模量及屈服强度应变率效应结果如图 9 所示。图 9基体弹性模量及屈服强度应变率系数基于 Digimat-MF 预测不同应变率下应力应变曲线结果与试验结果对比如图 10 所示。上述结果表明，本文基于 Digimat-MF 所建立的多尺度预测模型，可以准确的描述注塑玻纤复合材料不同加载角度及加载速率下的力学性能特性。汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 103图 10不同
9、应变率下预测与试验结果对比4尾门内板冲击性能分析及对标4.1尾门内板冲击性能试验试验为某车型尾门内板冲击工况，加载示意如图 11 所示。试验中内板在铰链及锁位置固定在台架上，冲击块布置在内板 Y=0 平面上，质量为 7.4kg，沿 X 方向以20.37 km/h 初始速度冲击尾门内板。图 11尾门内板冲击工况约束及加载示意图在冲击过程中，冲击块在 20ms 时达到最大位移50mm。4.2联合仿真分析建模基于 Moldflow 的模流仿真分析结果及 Digimat-MAP模块，开展玻纤取向及熔接线结果映射。图 12、13 所示分别为不同方向玻纤取向张量映射结果，由图中结果可以看到，在内板不同的位
10、置，由于模流的流动作用，玻纤取向结果存在较大差异。熔接线映射结果如图 14 所示，尾门内板结构中存在大量的熔接线位置，在仿真分析时需要考察相应位置的强度及失效特性。联合仿真分析基于 Digimat-CAE 实现。为了考虑熔接线的影响，多尺度本构中增加关键字 weldline_file，指 向 熔 接 线 映 射 结 果 文 件，以 及 weldline_strength_knock_down_tension 和 weldline_strength_knock_down_compression，对熔接线强度性能进行折减分析，基于试验结果，强度性能折减系数设置为 0.25。图 12X 方向玻纤取向
11、张量映射结果图 13Y 方向玻纤取向张量映射结果图 14熔接线映射结果试验及联合仿真得到的冲击块位移时间历程曲线如图 15 所示。仿真得到的最大位移为 54mm，与试验结果对比误差为 8%（该误差包含仿真分析台架刚度与试验台架刚度差异）。IM汽车行业104 2023年增刊图 15冲击块位移历程曲线试验及仿真分析失效位置对比如图 16 所示。联合仿真分析准确的预测了熔接线及关键应力集中位置的开裂情况。图 16尾门开裂位置对比5结束语本文结合准静态及动态试验，Digimat 多尺度建模及逆向参数识别，得到了 PPGF40 中基体材料考虑应变率效应的本构模型参数，以及 FPGF 失效本构参数。并建立
12、PPGF40 考虑应变率效应，各向异性及熔接线特性的多尺度本构模型。该本构模型应用于某车型尾门内板冲击性能分析中，预测产品变形及失效情况。结果表面，考虑玻纤取向及熔接线特性的注塑玻纤复合材料联合仿真分析，可以准确的预测尾门在冲击过程中的变形及失效情况。参考文献1 陈平，于祺，孙明，等高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展 J纤维复合材料，2005，52(2)：52-572 RUDRESH B M，KUMAR B N R，LINGESH B VHybridization effect on the mechanical behavior of monophase reinforced PA66/Teflon blend based hybrid thermoplastic compositesJTransactions of the Indian Institute of Metals，2017，70(9)：2335-23463 蔡力亚，赵克刚，李剑峰，等短玻纤增强复合材料的性能及其在车身上的应 J华南理工大学学报（自然科学版），2020，48(3)：108-115
