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解决方案    复合材料
DIGIMAT软件简介及典型应用
 

在过去几十年里复合材料以其高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗疲劳以及高度的可设计性等优越性能越来越多的被应用在航天、航空、汽车、兵器、电子等行业。随着材料应用的普及,基于复合材料的结构设计和材料研究也越来越多的被关注。对比金属材料,复合材料无论是在材料的研发、工艺设计还是结构校核方面都更为复杂,因此对材料开发人员和结构设计人员都提出了更高的挑战。

随着计算机辅助技术的兴起,将计算机辅助技术用于复合材料的研发和复合材料结构的设计优化成为主流趋势和必然方向,出现了很多基于层合板理论的复合材料力学分析程序和商用软件包。但随着研究的深入和应用的普及,这种方法的精度越来越难以满足工程上的需要。而且,由于在过去几十年里复合材料发展出越来越多的种类,其中的很多都超出了经典复合材料力学的应用范围,基于微观尺度的,将细观力学方法与结构有限元技术相结合用于复合材料结构的刚度强度分析是目前多尺度技术在复合材料领域应用的主要思路,也是提高复合材料仿真精度的有效方法。DIGIMAT正是基于这些研究的商用软件包。

DIGIMAT是比利时e-Xstream工程公司于2003年推出的专注于多尺度复合材料非线性材料本构预测和材料建模的商用软件包。DIGIMAT能够帮助用户预测多相材料的宏观性能,支持的材料范围涉及包含连续纤维、长纤维、短纤维、纤维编织、晶须、颗粒、片层等所有增强相和包括树脂基、金属基和陶瓷基在内的多类基体材料。广泛的软件接口可以为几乎所有的主流有限元程序提供材料模型或进行多尺度的耦合分析。多尺度的分析结果使得对材料和结构的失效预测更加准确。

20129月,e-Xstream工程公司成为MSC软件公司的一员。DIGIMAT的加入极大的丰富和完善了MSC的复合材料解决方案,使用户能够从更深的层次了解复合材料,并通过耦合分析更准确的获得复合材料结构的力学性能和失效情况。

 

 

功能特点

DIGIMAT针对材料开发人员和结构分析人员提供了八个主要模块,涵盖多相材料的性能预报、材料微观结构建模与分析、材料数据管理、材料模型的实验数据校对、工艺分析结果的读取与映射、工艺仿真软件和结构有限元软件的接口,蜂窝或泡沫夹芯结构的虚拟设计和虚拟实验以及针对复合材料结构设计的试样许用值虚拟实验平台等。

典型案例

汽车行业

使用复合材料替代金属材料是汽车轻量化主要方向之一。TRELLEBORG使用DIGIMAT与商用有限元程序耦合,成功准确预测了采用短切玻璃纤维增强树脂制造的发动机底座的静强度和疲劳性能,为他们采用复合材料替代铝合金材料提供了依据。

 

 

使用DIGIMAT结合有限元软件,TICONA成功分析了汽车天窗上的纤维增强塑料件的力学性能,仿真预测的失效位置和失效方式与实验结果十分吻合。

 

 

福特汽车采用DIGIMAT与自己构建的材料数据库以及其他有限元软件耦合,建立了针对车用纤维增强塑料结构的设计预报平台,通过该平台,福特能够更准确的了解增强塑料结构的极限强度,从而使他们的设计更加轻质优化。福特汽车认为,采用该平台有希望突破乘用车复合材料用量不超过10%的瓶颈。

 

航空航天行业

 

在飞机的复合材料设计工作中需要对不同铺层、不同形式的试样做大量的实验,往往需要消耗大量的时间和金钱。空客公司利用DIGIMAT和商用有限元程序耦合,在通过少量的试样试验(平板试样拉压实验)校对材料模型后,采用虚拟实验的形式替代大量的试样试验(例如孔板拉压实验),节约了大量的时间和费用。

 

 

复合材料的固化过程往往会导致材料内部的残余应力,甚至产生分层或断裂。ISEMP利用DIGIMAT-FE建立了层合板的微观结构,经过计算发现,层合板在固化过程中,层间的剪切应力水平很高,容易导致分层。纤维与树脂界面处也表现出较高的应力水平,这些高应力区域有时会形成材料横向断裂的裂纹扩展路径。

 

 

 

 

复合材料的力学性能受温度影响显著,对于航天领域使用的复合材料,往往要面临巨大温差变化的考验。ESA在超轻卫星天线的设计中使用DIGIMAT建立了与温度相关的非线性的材料本构模型,通过不同尺度的分析,研究了天线在温差载荷下的变形情况。

 

 

材料开发

复合材料的性能很大程度上取决于增强相,SOVITEC公司使用Digimat-MFFE研究了不同形式的增强相对材料性能的影响规律,从而在新材料的开发过程中节约了大量的时间和成本。

DIGIMAT作为一款专注于复合材料多尺度非线性建模的软件,几乎可以用于所有类型的复合材料性能预测。丰富的软件接口使DIGIMAT可以实现与绝大多数主流有限元软件耦合,分析复合材料结构的静强度、动强度、疲劳、蠕变、热力学及电学等性能。使用DIGIMAT能够帮助材料开发人员快速预测材料性能,帮助结构分析人员精确的分析复合材料结构的力学响应,对失效情况作出准确判断。

 

 
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