多尺度工程塑料建模平台

1|PageCopyright©e-Xstreamengineering,2008DIGIMAT,多尺度工程塑料建模平台2008版本2.0，2008.10Copyright,e-Xstreamengineering,2008版权,[e-mail]材料:工程塑料，增强塑料，PP,PA,PA-MXD6,PPA,LCP。e-Xstream技术：DIGIMAT,DIGIMAT-MF,DIGIMAT-FE,DIGIMATtoCAE,MAP。与CAE技术的接口:Moldflow,Moldex3D,Abaqus/Standard,Abaqus/Explicit,ANSYS,LS-DYNA,PAM-CRASH。工业应用:材料供应商，汽车产业，消费类产品。目录DIGIMAT,多尺度工程塑料建模平台..................................................................................................1目录......................................................................................................................................................1内容提要..............................................................................................................................................2客户推荐..............................................................................................................................................2DIGIMAT-MF,平均场均匀化软件.......................................................................................................3DIGIMAT-FE，代表性体积单元(RVE)的有限元建模........................................................................5DIGIMAT在材料逆向工程中应用......................................................................................................6DIGIMAT与CAE软件的接口..............................................................................................................7DIGIMAT与注塑成型软件的接口.................................................................................................................................8DIGIMAT与结构有限元分析（FEA）的接口............................................................................................................9MAP的映射功能...............................................................................................................................11法律公告：eX,eXdigimat和e-Xstreamengineering是e-XstreamengineeringSA公司的商标或注册商标，其他产品、公司名称和标签则是其所属公司的商标或注册商标。2|PageCopyright©e-Xstreamengineering,2008内容提要e-Xstream工程公司是一家软件和工程技术服务公司，专注于多相复合材料和结构物（PMC、RMC和MMC等等）的最新多尺度建模技术。我们致力于帮助客户降低开发成本，缩短新款产品开发和优质产品推向市场的时间。e-Xstream工程公司开发了材料建模平台软件DIGIMAT，它由一整套可相互兼容和操作的软件组成。DIGIMAT-MF和DIGIMAT-FE主要用于预测各种多相材料的非线性热机械性能，其基本的微观结构函数描述如下：1-各个组成部分（简称为“相”）的材料性能;2-微观结构形态由增强相的重量/体积分数、形状、长度和取向来定义。这些软件可以比作一个“数字材料实验室”，可用其生成一个数值的材料样本并给它施加拉力，压力和剪切力等等。DIGIMAT-MF，基于非线性半解析均匀化理论，提供宏观结构性能准确和有效的预测（例如：复合体），以及在微观尺度的平均结果（例如：各个组成相）。DIGIMAT，基于材料代表性体积单元（RVE）的直接非线性有限元分析（FEA）理论，同时提供宏观尺度和微观尺度准确的局部预测。建立和求解DIGIMAT-FE模型所需的时间比DIGIMAT-MF的长。DIGIMAT很好的将主流的注塑成型软件和结构计算机辅助工程（CAE）软件进行耦合，可得到制成品的准确和有效的多尺度模型，在产品的每个局部点上，利用DIGIMAT-MF生成材料的微观模型。在这种情况下，DIGIMAT-MF可以被看作是制成品有限元模型积分点上的“数值材料”。DIGIMAT拥有一整套的软件工具并致力于增强塑料和注塑件的建模工作。软件的开发和技术支持基于我们拥有一个有着丰富的非线性有限元、材料建模和多尺度强化材料分析经验的工程团队。客户推荐“DIGIMAT是一个强大的工具，让我们对聚合物复合材料有了新的见解。例如：它在运用温度函数建立的热膨胀模型有助于理解注塑件的一些微小翘曲的机械性能。”VitoLeo,PrincipalScientist,SolvayAdvancedPolymers“DIGIMAT和MAP的联合应用帮助诺基亚将生产工艺和结构模拟结合在一起，从而考虑了生产制造对模拟的影响，这将导致分析结果更高的可信性和更可行的产品优化性。”NielsLerke,SimulationSpecialist,NokiaMobilePhonesR&D3|PageCopyright©e-Xstreamengineering,2008DIGIMAT-MF,平均场均匀化软件DIGIMAT-MF是一个界面友好的微机械材料建模软件，用户可以根据树形数据结构的指引，输入各个组成相的材料特性、微观结构描述以及用于多相复合材料的加载新信息。图1:树形数据结构:材料、微观结构和加载DIGIMAT-MF基于两种均匀化理论：Mori-Tanaka和InterpolativeDoubleInclusion。在某些情况下，当增强相所占比例较大、增强相和基体刚度相差较大时，应用后者理论所得结果更为精确准确。第一阶和第二阶的均匀化对两个系统均适用第二阶提供较软的复合反应，特别适用于基体损伤而引起的材料软化反应。一套完整的材料本构关系可建立增强塑料各个组成相的材料性能，对于聚合物基体，以下材料模型特别有用：热弹性(TE)、弹塑性(EP)、可损坏弹塑性(DEP)、粘弹性(VE)和粘弹塑性(EVP)。前三个模型与应变率无关，因此可用于准静态响应的增强材料建模。即使不考虑由于增加了增强相而引起的各向异性，热弹性材料（TE）也可被视为各向异性，所以它可用来模拟各向异性的聚合物基体，比如LCP材料。同时也可考虑聚合物基体的温度效应。CTEVsTemperature00,000050,00010,000150,00020,00025050100150200250Temperature[°C]Thermalexpansion[°C-1]a11Expa22Expa33Expa11Digia22Digia33DigiTemp.[°C]E11DIGIMAT[MPa]E11Exp.[MPa]∆r291203111803-1.91%12040733740-8.93%E22DIGIMAT[MPa]E22Exp.[MPa]∆r2974807223-3.57%12012811257-1.96%图2：预测与实测玻璃纤维增强的PPA热膨胀系数（CTE）。CourtesyofSolvay。表1：预测与实测玻璃纤维增强的PA-MXD6杨氏模量。CourtesyofSolvay.4|PageCopyright©e-Xstreamengineering,2008粘弹性(VE)和粘弹塑性(EVP)材料用于蠕变、松弛和高应变率（如碰撞、跌落试验）下的材料建模。(a)(b)图3:(a)应用DIGIMAT–MF，预测在不同的应力情况下玻璃钢的应变随时间的变化。(b)预测不同应变率受拉伸试验中，玻璃纤维增强聚丙烯的非线性应力-应变曲线。图4：预测循环加载情况下粘弹性增强材料应变率效应增强纤维通常用各向同性（如玻璃纤维）或横向各向同性（如碳纤维）的弹性材料来建模，增强纤维被假定为一个椭圆形，用长宽比定义（AR=长度/直径）。用这种方法很容易建立薄片，球面和纤维类的增强相模型。不同的纤维长度可通过定义长宽来模拟，短纤维（1AR20），长纤维(20AR1000)，连续纤维(AR1000)。纤维取向可以是固定的或随机的，也可以通过注塑成型软件或实验测定的二阶取向张量来定义。软件拥有精确地处理取向张量的专有技术。不同的聚合物如弹性体也可以用来“增强”聚合物基体，并预测最终材料的响应如热塑料弹性体（TPE）。增强纤维相和基体相间的相互作用可以通过建立一个涂层相来考虑，该涂层相定义为关于增强纤维尺寸的相对或绝对厚度。最后，可以对复合体（即宏观相）和各个材料相（即基体相和/或增强相）定义一系列的失效指标。5|PageCopyright©e-Xstreamengineering,2008DIGIMAT-FE，代表性体积单元(RVE)的有限元建模DIGIMAT是一种直接使用有限元法的微机械材料建模软件，它创建的代表形体积单元表示增强塑料中的微观结构。DIGIMAT-FE与DIGIMAT–MF相辅相成，并与DIGIMAT–MF完全兼容。相对DIGIMAT-MF来说，DIGIMAT-FE的主要优点如下：1.可生成各种代表性体积单元（RVE）来表征椭圆形和/或非椭球形夹杂物（如半结晶的微观形貌）;2.可考虑几何结构的影响，如夹杂物的聚集和渗透；3.除了将多相性材料考虑进宏观的热机械响应外，还可计算出微观层面（即聚合物的每个增强相）各相材料在局部区域的真实分布情况。在预测宏观响应上，DIGIMAT-FE比同等的DIGIMAT-FE需要更多的CPU时间来建立和求解模型。所以尽可能的使用DIGIMAT–MF建模，特别是在有限元模型中每个插值点的材料都须建模时也要使用DIGIMAT–MF。DIGIMAT-FE输入数据结构与DIGIMAT-MF十分相似，只需增加一个数据来控制根据几何生成的代表性体积单元（RVE）的数量。图5：DIGIMAT-FE使用与DIGIMAT-FE相似的树状数据输入结构，并与DIGIMAT-FE完全兼容。DIGIMAT-FE可用于生成表性体积单元（RVE）来表