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CAE仿真分析应用之材料/新材料研发——元计算pFEPG

已有 9535 次阅读 2012-9-4 17:13 |个人分类:学习|系统分类:科研笔记| 复合材料, 有限元, pFEPG, 元计算, CAE仿真分析

http://www.ectec.asia/hy_clyf.asp

国际先进复合材料技术目前的发展更倾向于利用虚拟的设计-制造-验证一体化环境，将真实的设计、制造、材料、验证、应用乃至维修和全生命周期管理等诸多环节统一起来，从而最大限度地缩短新品研发周期，降低研发成本，提高产品的市场竞争力，在这个过程中，CAE技术已成为国防工业创新设计以及数字化设计、制造技术的核心之一。在复合材料领域包括复合材料设计、复合材料力学分析、复合材料模具优化、复合材料热压成型模拟、复合材料液体成型模拟、复合材料拉挤成型模拟、复合材料压成型模拟、复合材料焊接模拟、复合材料成型多物理场、复合材料性能模拟等领域都有广泛的应用。

材料加工处理

材料加工处理是一门既古老又年轻的行业，早在商周时期青铜器的制作和加工就涉及到材料的处理工艺，但真正将材料加工制备经验提升为科学技术只有近百年的历史。材料数值模拟是随着计算机的发展，将材料加工中的科学技术通过数值求解，揭示材料加工中的内在规律、总结材料加工的工艺方法也就是近几十年的时间。材料数值计算主要有两个大方向，一个是计算材料的属性，主要是材料的相图计算和物理或热物理参数计算。另一个是应用材料的属性模拟材料加工过程，例如铸造、焊接、锻造、热处理、复合材料、钣金成型等工艺，又称为材料数值模拟仿真技术。
目前材料加工制备数值模拟大部分采用通用软件，也有不少专业的数值模拟软件出现面向铸造、焊接、锻造、热处理等专门的工艺过程。但材料加工是一个多物理场耦合的复杂过程，目前的软件在处理多物理量耦合方面还存在扩展性和开放性不足的问题。这表现在增加一种新的物理场没有一个灵活的实施方案，同时对新的材料行为的认识不能自由地提供扩展接口，软件框架性的限制多。从下面的图示我们可以清晰地看到，材料加工过程的复杂性对材料计算模拟向多相多场开放式发展的巨大需求。

热处理各物理量耦合关系铸件凝固过程模拟中的多场耦合

成型工艺
复合材料的成型工艺包括热压成型、液体成型、缠绕/拉挤成型、模压成型等，对成型工艺进行分析可以完善成型工艺，提高成品率。
成型温度场控制
成型多物理场耦合
成型过程模拟分析

复合材料设计
复合材料设计选取合适的材料组成与组合方式，利用有限元对设计的组合进行筛选，遴选出最佳的材料配比与组合方式。
原料参数
组合建模
网格划分

复合材料力学
复合材料有不均匀和各向异性的特点，所以复合材料力学分析除了常规材料存在的力学问题，如结构在外力作用下的强度、刚度、稳定性和振动等问题外，还需要
层间应力
边界效应
纤维效应
基体开裂等

模具优化
模具是复合材料成型工艺中的一个重要因素。行业内素有“七分模具，三分工艺”之说。加强注塑模具分析和优化，制作优质注塑模具，既能节省生产成本，又能提高生产效率。
流道系统模拟
模具冷却温度场
模具精度优化方案

材料领域应用案例：

1、在航空材料中的应用
北京航空材料研究所利用pFEPG系统完成高温合金粉末热等静压成型的模拟计算，有力地指导了实验研究。该研究项目荣获国家级奖励。哈尔滨工业大学材料学院也利用pFEPG系统完成了类似的课题。

2、在形状记忆金属上的应用

德国慕尼黑技术大学应用数学研究所所长、著名数学家K.H.Hoffmann教授领导的研究组将梁国平的系统成功地应用于形状记忆金属、相变及各种最优控制问题，成功地计算了合金铸模成型，多相介质及其界面的最优控制，形状记忆合金和高温超导。这些都是复杂的非线性问题。Hoffmann教授在评价书中写到：梁的系统“是迅速实现科学和实际计算的一个有力工具，我向任何有限元专家推荐这一系统”。

3、在复合材料粉末烧结过程研究上的应用

芬兰赫尔辛基大学的张宝生博士和美国West Virginia大学的杨万宏博士分别利用“自动生成系统”开发了HIP-2D和FGM-3D有限元软件，用于分析对粉末复合材料烧结过程的研究，其中包括温度场的数值模拟，材料烧结过程的数值模拟，材料致密化过程的数值模拟，热应力分布，局部热应力的产生和裂纹的产生机理等过程的数值模拟。数值模拟结果受到同行专家的一致好评。

4、在复合材料加工模拟上的应用

中国科学院应用化学所采用“自动生成系统”研究了“聚酰亚胺复合材料反应加工过程的数值模拟”。复合材料加工条件的选择对产品的最终性能有极为重要的影响，加工模拟的目的就是要在尽可能短的时间内得到一套合理的加工条件。数值模拟的计算结果与实际加工情况完全一致。

5、在压电材料方面的应用
中国力学学会采用“自动生成系统”计算压电智能控制系统的压电响应，求解电场和力场的耦合问题，解决了一般通用有限元程序无法解决的问题，节省了大量编程时间，取得了事半功倍的效果。

6、纳米金属材料单向拉伸应力应变关系的数值模拟研究

天津大学机械学院力学系，李林安、邸玉贤等利用“复合有限元”方法，将分子动力学方法引入到连续体的有限元方法中，用Morse势函数推导出纳米金属固体材料（如Fe−α，Cu，Al等）晶界区域的本构关系，建立由晶粒、晶界、孔洞等组成的复合模型。借助有限元源程序自动生成系统pfepg软件，调整晶粒尺寸，研究在单向线性逐步加载过程中，晶粒尺寸对材料非线性应力应变关系的影响，以及材料宏观弹性模量在加载过程中的变化情况

应力应变曲线

7、热塑性复合材料的弹塑性数值模拟

天津大学机械学院力学系丁淑蓉、佟景伟等文利用复合材料的单参数三维弹塑性模型对热塑性复合材料进行了弹塑性数值模拟。利用并行有限元自动生成系统（pFEPG），编制了自用的有限元程序，成功地引入了三维单参数塑性模型，很好地模拟了热塑性复合材料的非线性行为。

三维模拟结果与实验结果的比较

8、激光熔池

激光熔池（包括融化和凝固两个过程）的有限元模拟，为一复杂的高速流动的自由边界流体问题，并伴有能量的对流扩散发生。

9、复合材料多尺度模拟
针对复合材料热力耦合问题，利用多尺度分析方法，分别引入了细观和宏观两种尺度坐标描述细观单胞的非均匀化构造和宏观均匀化结构，建立了复合材料内部温度场和位移场的多尺度表达式；并且基于pFEPG对具体算例进行了求解。数值实验表明，多尺度分析方法是一种高效的方法，并且满足计算精度要求。

10、复合材料分析
      非连续增强镁基复合材料多以SiC、TiC等陶瓷颗粒作为增强体，由于具有优良的比强度、比刚度、阻尼性能和热强性，在军工、汽车及航空航天等部门有着良好的应用前景。但是，陶瓷颗粒与镁基体之间在晶体结构、键合类型以及热膨胀系数和弹性模量上的较大差异，使得制备和加载变形时复合材料内部会产生很高的应力集中和较多的微孔、微裂纹缺陷，往往导致复合材料发生低应变下的早期断裂，因而诸多的实验证明陶瓷颗粒对镁基体的增强效果并不理想。与陶瓷不同，和金属镁在晶体学、物理学及力学特性方面比较匹配的钛颗粒则对镁基体显示出更好的增强潜力。作者前期曾采用粉末冶金法，制备了体积分数为10％的钛颗粒增强MB15镁基复合材料，对其显微组织和力学性能进行了研究，结果表明钛颗粒对MB15的增强效果远好于SiC颗粒。因此，钛颗粒有望充当镁的一种新型增强相，相关的研究也势必成为镁基复合材料研发的一个新热点。探索内部的应力、应变场以及功耗等力学参量的分布特征，无疑对深刻了解钛颗粒增强镁基复合材料的强化机制和失效规律至关重要，并能为通过细观和介观结构的优化设计，进一步提高复合材料的力学性能奠定基础。
      借助pFEPG，对Ti颗粒增强MB15镁基复合材料的细观力学场进行了模拟和分析。结果表明，等效应力、应力球量、功耗以及最大主应力和最大主应变等力学参量在复合材料中存在明显的集中现象；尽管外力小于基体的屈服强度，但应力集中使得基体发生了局部屈服；复合材料主要的失效形式为界面脱粘和基体开裂，增强颗粒断裂的倾向性较小；同时，细观力学分析说明，复合材料中增强体的强化作用主要来自于它对基体应力和应变状态的改变，而不是其本身对形变功的分担作用。

11、格栅结构有限元分析与载荷重构初探
复合材料具有高的比强度和比模量，同时又具有近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性等优良性能，己经广泛应用于航天航空事业和体育器材生产工业，与此同时，寻求一种高效的、低成本的、并将智能化和功能化集于一体的结构形式，一直是航空航天追求的目标，具有点阵结构的复合材料格栅结构正是这种高效的结构形式，表现出多项优良性能;国外对其进行了大规模的理论分析和一些数值模拟研究，己有的研究表明该结构具有良好的可设计与自动化生产性能而无材料之间匹配问题，开放式的结构形式为结构的健康检测提供了便利，具有广阔的应用前景。

计算第9步的结果 4点的时间一位移曲线(1.2%)

12、材料损伤蠕变计算

随着现代新材料，新结构的应用，使得一些在经典的材料力学和流体力学中不考虑的物质性质，尤其是粘弹性性质受到了越来越大的重视。现在应用越来越多的高聚物材料，复合材料便表现出典型的粘弹性力学性质，即其力学行为依赖于时间，依赖于温度，其变形对应变率非常敏感。此外，有的粘弹性材料在实际应用中会发生开裂破坏，这是一个材料损伤发展演化的结果。仅研究材料的粘弹性难以描述整个变形过程，必须结合损伤力学的方法来研究。
本案例介绍了pFEPG软件在粘弹性损伤力学方面的应用。从具体的平衡微分方程出发，采用了典型的三参数固体粘弹性损伤本构关系，详细推导了使用pFEPG软件所要求的微分方程的弱积分形式并给出是数值模拟巴西实验的结果图像。巴西实验，也称间接拉伸试验，或劈裂法试验。这种方法是在圆盘试样两侧施加集中载荷致使试样产生拉伸应力直到破坏的强度测试方法。

李德聪、程思亮、史文卿等研究员等从具体的平衡微分方程出发，采用了典型的三参数固体粘弹性损伤本构关系，把损伤度写进了平衡方程（一般商用有限元软件不能改写基本方程）。典型算例验证了 pFEPG 所生成的有限元程序计算结果的正确性和高效性。粘弹性损伤问题的初始条件可以用一个等效的弹性问题的解表示。这个等效弹性解，也可以用 pFEPG 实现。

损伤度 D 分布云图（t=800s）

13、泡沫型吸波隔热材料温度场的模拟

根据泡沫型吸波隔热材料尺寸、性质和工作条件，对其进行了合理假设，建立了材料使用状态瞬态和稳态热平衡状态下的简化传热数学模型。利用有限元处理方法和pFEPG版大型非线性有限元软件，建立了材料温度场的三维有限元模型。以实际使用材料为例，进行了温度场初步模拟计算，获得了材料瞬态和稳态温度场分布。通过不同厚度、密度和时间的简要计算模拟，分析了材料在不同条件使用下，表面温度与环境温度匹配的情况。计算模拟结果较真实地反映了泡沫型吸波隔热材料使用时的红外热隔绝状况。

厚度不同30分钟内其中一点温度分布曲线变化

30分钟内4厘米厚的板的温度分布 20分钟内4厘米厚的板的温度分布

14、GFRP拉挤成型工艺过程固化pFEPG数值模拟

拉挤成型过程研究的主要任务之一是选择合适的工艺参数，以使树脂在模具内能够充分固化，并在保证产品质量的基础上尽量提高生产效率。传统的工艺过程控制由于不了解拉挤模具内所发生的变化而只能遵循基于经验的固定规范。加工过程中产品状态不稳定，质量分散性大，废品率高等导致的生产成本高、效率低的弊端一直是生产厂家存在的问题。因此，预先了解在拉挤模具内非稳态温度场和固化度场的变化对拉挤工艺过程设计是非常重要的。

距中心线不同距离的材料固化度变化图第300次迭代时的固化度云图

15、含有界面裂纹的微尺度薄膜力学响应的有限元分析

薄膜——基体复合材料在许多工程领域得到广泛应用。但在生产与使用过程中膜基界面处容易产生裂纹，裂纹的扩展导致膜层的脱落是致使膜层体完全失效的主要形式之一。目前主要用划痕法定量的测量膜基的结合力。本文先参考划痕法的试验过建立分析薄膜力学响应的模型。然后在pFEPG有限元自动生成系统平台上，编制了相应的计算程序。并计算分析了裂纹在不同基底TiN薄膜中的影响和裂纹位置不同对TiN/Au/HSS双层膜的影响，以及裂纹长短不同对TiN/HSS单层膜的影响，表明薄膜应力与裂纹的存在因素有关。