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摘  要

基于Digimat軟件逆向獲得了用于制造油底殼的玻纖增強(qiáng)聚酰胺66（35%GF/PA66）材料屬性，通過多尺度聯(lián)合仿真方法對(duì)油底殼進(jìn)行了模態(tài)仿真分析及測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢(shì)一致，所得結(jié)果可為復(fù)合材料零部件振動(dòng)分析提供參考。

Part.01背 景

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，油底殼扮演著至關(guān)重要的角色。它位于發(fā)動(dòng)機(jī)底部，核心功能在于儲(chǔ)存和管理潤(rùn)滑油，確保發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件的順暢運(yùn)行和有效潤(rùn)滑。

圖1 汽車油底殼

隨著汽車輕量化趨勢(shì)的持續(xù)推進(jìn)，纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料因其優(yōu)異的比強(qiáng)度和減重潛力，正越來越多地取代傳統(tǒng)金屬材料應(yīng)用于油底殼等零部件的制造。然而，這類復(fù)合材料本質(zhì)上具有顯著的各向異性特性。在注塑加工過程中，增強(qiáng)纖維在熔體流動(dòng)方向上的分布難以實(shí)現(xiàn)完全均勻，導(dǎo)致最終成型的零部件內(nèi)部不同區(qū)域的材料屬性（如剛度、強(qiáng)度）存在空間上的差異性。

因此，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)此類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件（如油底殼）在復(fù)雜載荷下的性能，尤其是涉及高應(yīng)變率場(chǎng)景（如碰撞、跌落測(cè)試）的性能評(píng)估，亟需開發(fā)并應(yīng)用能夠模擬其各向異性應(yīng)力-應(yīng)變行為的材料模型。這些模型需要精確反映材料在高應(yīng)變率下的響應(yīng)特性，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行比較。

Part.02材料模型構(gòu)建

纖維增強(qiáng)塑料通常具有高度各向異性，對(duì)性能有很大影響。因此需要考慮局部纖維取向和由此產(chǎn)生的性能影響。

先進(jìn)的建模工具可以成功預(yù)測(cè)：

• 纖維取向

• 纖維取向?qū)Σ牧狭W(xué)行為的影響

• 零件性能：例如剛度、強(qiáng)度、碰撞、噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）、尺寸穩(wěn)定性、蠕變、疲勞等

大多數(shù)拉伸試驗(yàn)是在約0.001 s-1的應(yīng)變率下進(jìn)行的。在較高的應(yīng)變率下，熱塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為會(huì)發(fā)生很大變化，表現(xiàn)出剛度和強(qiáng)度的增加。因此，使用從不同取向（0°、45°和90°）的注塑板銑削而成的拉伸桿試件，在0.001至100 s-1的范圍內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)。

在高應(yīng)變率測(cè)試中進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)變?cè)u(píng)估并非易事。目前先進(jìn)的技術(shù)是使用數(shù)字圖像相關(guān)方法。這是一種非接觸式的基于圖像的技術(shù)，需要用高分辨率、高幀率的相機(jī)記錄試樣表面變形。圖像分析軟件用于從這些圖像中評(píng)估應(yīng)變場(chǎng)。為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，需要一個(gè)具有明顯特征的圖案的試樣表面。這是通過使用噴散斑的方式創(chuàng)建的（見下圖2）。

圖 2 噴散斑后拉伸斷裂樣條

圖 3 材料仿真分析平臺(tái)

基于高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)，我們開發(fā)了Digimat材料卡片，對(duì)各向異性粘彈性/粘塑性材料行為進(jìn)行了建模。Digimat是一個(gè)使用微觀力學(xué)的多尺度材料建模平臺(tái)，用于復(fù)合材料的高效建模。

Digimat是一款多尺度復(fù)合材料性能預(yù)測(cè)商業(yè)軟件，能夠幫助用戶在材料微觀結(jié)構(gòu)，制造工藝和宏觀結(jié)構(gòu)性能等方面進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)和分析。

圖 4 Digimat軟件

軟件主要包括MX、MAP、CAE、MF、FE 5個(gè)模塊。其中：MX為材料數(shù)據(jù)庫(kù)及材料屬性逆向模塊，可通過已知復(fù)合材料試樣的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反求基體和增強(qiáng)體的材料參數(shù)；MAP為映射模塊，可將模流分析獲得的纖維取向分布、熔接線等結(jié)果映射到有限元網(wǎng)格上；CAE為仿真分析模塊，提供了Digimat軟件與不同有限元軟件之間接口；MF和FE為材料屬性宏觀和微觀正向建模模塊。

本文選用35%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）GF增強(qiáng)聚酰胺 66 材料 （35%GF/PA66），在溫度為 23 ℃時(shí) 0°、45°、90°方向測(cè)試注塑試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖 5 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于 Digimat-MX 模塊等效體積單元法 （RVE）進(jìn)行材料參數(shù)擬合，選擇J2-Plasticity彈塑性模型作為材料基礎(chǔ)本構(gòu)模型進(jìn)行材料屬性逆向，總體相對(duì)誤差優(yōu)化到2%以內(nèi)時(shí)結(jié)束迭代。

Part.03頻響仿真與試驗(yàn)

基于模態(tài)仿真基礎(chǔ)模型，設(shè)置掃頻范圍 1～1000，系統(tǒng)阻尼0. 025，激勵(lì)載荷設(shè)置為各頻率下豎直向上1g沖擊加速度（g為重力加速度），仿真提取頻率響應(yīng)點(diǎn)位置如圖6所示。頻響試驗(yàn)與仿真邊界保持一致，在大推力振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，如圖7所示。

圖6 頻響分析觀測(cè)點(diǎn)

圖7 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

Part.04試驗(yàn)結(jié)果分析

基于模態(tài)分析約束邊界，同步設(shè)計(jì)油底殼模態(tài)測(cè)試， 油 底 殼 前 10 階 模 態(tài) 仿 真 與 測(cè) 試 結(jié) 果 對(duì) 比見表1。

由表1可知，油底殼前5階模態(tài)仿真值與測(cè)試值的相對(duì)誤差在8%以內(nèi)，前10階模態(tài)仿真值與測(cè)試值的相對(duì)誤差在 12% 以內(nèi)，且振型一致，仿真精度滿足工程應(yīng)用需求，驗(yàn)證了仿真方法的有效性。

表1 模態(tài)仿真與測(cè)試結(jié)果

圖8 頻響分析仿真與試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)1～4觀測(cè)點(diǎn)豎直向加速度頻響結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在豎直向上激勵(lì)的工況下，各觀測(cè)點(diǎn)首個(gè)峰值出現(xiàn)的頻率 （以下簡(jiǎn)稱“峰值頻率”）為85 Hz左右，與1階模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)；仿真和試驗(yàn)出現(xiàn)的峰值頻率接近，且幅值誤差較小，驗(yàn)證了頻響分析方法的準(zhǔn)確性。