KTM依靠Ansys工具对摩万博托车行业的连续增强复合材料进行稳健优化

在KTM，统计结构用于考虑散射生产和材料参数，以优化用于汽车和摩托车行业的轻量化部件的设计阶段。

动机

由于纤维复合材料具有良好的比重性能，目前在工业上得到了广泛的应用。由于成本高，在过去，它们几乎专门用于航空航天工业。现在，汽车和摩托车工业中的各种零件都是由这种材料制成的。通过结合不同的纤维和基体材料，以及通过创建具有不同层向的层流结构，有可能具体影响机械性能，以生产非常轻的部件。

虽然有各种不同的制造工艺，但所有这些方法都有一个共同的方面，那就是最终的材料性能是在生产过程中确定的，而工艺参数对此有决定性的影响。根据工艺类型的不同，在生产过程中可能会发生散射。除了各个层的几何和角度误差外，这些误差还包括制造误差，如纤维束的波浪度、纤维或树脂堆积、纤维浸渍不足或不完全硬化。根据制造过程的质量，这些特征可以减少，但不能完全避免。因此，重要的是要知道在设计阶段应以适当的方式考虑散射。

基于摩托车行业的典型纤维复合材料结构，本文将介绍一种使用Ansys软件解决方案统计结构的新方法，以量化这些生产散射并直接将其转移回模拟中。万博这开辟了在模拟中考虑局部散射的可能性，与应用全局安全和减少因子相比，这带来了轻量级质量的优势。

前部结构拉力线450

由于纤维半成品的悬垂能力有限，对几何结构复杂、立体结构强烈的生产提出了很高的要求。万博网如前所述，它们可能表现出增产的特征。因此，选择如图1所示的路簿基载波(RB-BC)作为应用实例，对所开发的散射方法进行评价。除碳纤维外，这种基载体还含有芳纶纤维。这里使用的是“斜纹2/2”型机织物的半成万博网品。

该基座载体的主要功能是承载GPS应急发射机IriTrack，并将轻型单元和路簿连接到摩托车车架结构上。路簿是一种纸质的导航工具，它包含了所有必要的方向和距离信息。此外，面板(未在图1中显示)部分连接在这里。

概述

为了提供该过程的概述，所有步骤最初都在应用程序示例中进行概述。作为起点，RB-BC与预定义的层结构一起使用，并定义了相关的负载情况。它们的选择方式也使它们能够在实验中具有很高的测量精度。所评估的刚度载荷条件反映了RB-BC在实际中的使用情况，但仅代表了设计中使用的部分运行载荷情况。使用结构统计的预测分析确定了具有最大发生散射信息效益的合适测点。

三种测试场景再次在三种相同但由于制造过程而略有散射的rb - bc上进行。在每个实验中，选择四个由预测分析确定的测量点，这些测量点在实验设计中也很容易获得。测试过程在每种情况下重复五次，以检测由测试设备引起的测量误差。因此，总共考虑240个变形值。评估这些测量数据，将其作为参考点应用于模拟，并用于定义后续校准的目标函数。对于必须校准的不确定性，引入以下参数将散射特性映射到仿真模型中:

•图层方向。

•层厚度。

•材料属性。

•用于检测进一步散射的退化场。

通过校正后的仿真模型，可以使用相同的参数进行鲁棒性评估，并从结果中得出结论，以提高产品质量。

设计荷载情况的模拟

构件设计中的加载条件比较复杂，不仅包括静刚度和强度载荷，还包括考虑具体跌落和侧翻的动态碰撞载荷。图2的顶部和底部分别显示了示例性工作负载和最大负载。

由于考虑所有设计载荷情况来评估散射方法过于耗时，因此将其简化为单独考虑路簿基载波的刚度情况，以消除周围分量(及其散射)对结果的影响。

试验载荷模拟

图3显示了为RB-BC定义的模拟负载情况。一方面，这些选择的方式仍然代表原始的测试负载场景，另一方面，确保实验以尽可能少的测量分散进行。它们代表基本刚度，可以在随后的测量中通过定义点的位移来描述。面向对象层结构的建模是在Ansys Composite Prepost内部严格按照制造说明书进行的，这些说明书总结在所谓的胶合板中。万博取向通过几个坐标系的调整来调节，从而允许纤维取向的快速变化。

路况手册基础载体与外壳元件啮合，通过模块化构建块系统与负载应用元件连接。在这里，确保了一致的网格划分，避免了网格噪声的不良影响(即网格对结果的影响)，并且省去了映射例程的必要性，以便在后期的现场统计中统一显示结果。为了清楚地分离和描述所研究的物理散射，避免或最小化这种数值效应是重要的。

路轨底座与管件的连接采用键合触点和非线性触点表示。这里，数值效应必须保持小。因此，对接触区域的最小公差进行了研究。实验中使用的权重由质量点表示，在图3中，质量点被象征性地描绘为球体。为了校正仿真模型并进行鲁棒性评估，在仿真模型中引入了相应的变率。例如，可以通过参数列表改变弹性模量、剪切模型以及层厚和方向。进一步的可变性是由退化场综合起来的，退化场仍将被更详细地描述。

测试前分析和实验程序

测试过程可以概括为三个主要步骤:

1.公差分析，以确定管件的制造精度。

2.预测分析预测最有意义的测量点的位置。

3.三种负载情况下的重复测试运行，以检测测量过程中发生的变形和不准确性。

首先进行公差分析，以避免在试验中测量的变形不是由制造过程中的偏差主导，而是主要由不足够的公差接头主导的情况。这些结果在配件的制造中得到了考虑。为了夹紧路况手册基础载体，u型型材分为两部分制造，以防止在安装试样期间出现张力。因此，可以补偿试件上的非平行拟合点。然后进行测试前分析。在这里，将散射应用于尚未校准的模拟模型，进行变差计算，并通过叠加现场结果计算平均值、标准差和变差系数。变异系数表示实验与模拟之间的相关信息。

因此，表盘不是放在最大挠度的位置，而是放在假定变形变化最大的位置。图4显示了这种分析的结果。通过热点检测确定合适的测点。考虑到实验中容易接近的必要性，选择红色标记点进行测量。

图5显示了实验的设置。将试样夹在所需位置，并装入重物。在这些条件下，在每个负载情况和RB-BC的四个测点上进行五次测量。虽然测试是在一个非常小心的方式进行，实验诱导散射不能完全避免。原因可以在不同的零位调整、不同的预紧力、不同的刻度表定位偏差以及其他环境影响中找到。

用场统计来描述散射

如前所述，表示实验的模拟模型包含变量，以便研究和评估散射。此外，上述影响，如制造误差、纤维束的波纹度、纤维或树脂堆积、纤维浸渍不足以及不完全硬化，只能用极高的计算时间来表示。这使得该程序在经济上效率低下。然而，它们都有一个共同点，那就是它们会引起材料局部性质的变化。因此，在Ansys中引入了退化场，即重叠场，它可以通过一个可定义的因素在任何位置改变实现的材料属性。万博由于可以将这样的因子分配给每个有限元单元，因此由于产生的参数数量极高，传统的参数校准将不再可能。也可以假设比例因子局部相关。因此，引入随机场来表示退化。通过特征值分解，可以通过基本函数(散点形状)和振幅来描述场。这样就可以将整个场中大量的随机变量简化为少量的随机振幅。 The field can be re-assembled by multiplying the basic functions with the amplitudes and a subsequent summing up of these terms.

图6显示了100个人工制造的退化场中的3个。关于这些领域的预测是基于CFRP制造和原始设备制造商CFRP专家的经验。通过对散点形状进行不同的缩放，可以非常快速地创建新的场，从而最终可以根据实验对退化位置的预测进行校准。

通过使用随机场创建退化场，它们的描述性有助于理解退化位置与RB-BC不同位置对刚度的影响之间的功能相关性。换句话说，最具影响力的散点形状的可视化有助于了解在哪些位置由生产引起的材料缺陷对产品性能有很大影响。

将模拟结果与测试结果进行校正

下列参数现可用于校正模拟结果及测试结果:

为确定管件制造精度而进行的公差分析;

•材料性能(横向或纤维方向弹性模量，剪切模量)。

•层厚度。

•图层方向。

•用于描述退化场的散射形状的振幅(表示前面提到的进一步影响)。

为了使仿真结果与试验结果相一致，对每个路本基载波进行了优化。目的是使所有12个测点的偏差同时最小化。目标函数的12项根据各自测量值的参考值进行加权。需要校准的参数仍然非常多(> 50)，这将导致大量的计算运行。因此，提前进行敏感性研究，以便将不重要的参数从重要参数中分离出来，并在随后的优化中消除它们。在目标函数中使用12个测量点增加了获得明确结果的可能性。

结论

现在有几个重要问题的答案了:

•必须设置哪些参数来表示RB-BC的当前行为?

•哪些参数影响哪种类型的刚度到什么程度?

•如何准确地描述输入参数和刚度之间的相关性?

回答这些问题对于有意义的鲁棒性评估和面向目标的优化是必要的。现在将散射应用于校准后的标量参数和退化场。通过超过100次的计算，可以估计出刚度的离散性、破坏准则和其他性能。更重要的是识别输入变量对所述输出变量的影响的能力。

因此，在鲁棒性评估之后，可以在影响最大的位置执行有针对性的措施-要么通过手动增强，要么通过设计更改以及通过优化已经定义的参数，例如，层的方向。图7显示了主要散射输入参数对临界失效点的影响。这些信息可以记录在胶粘板中，以便在未来的生产中考虑，以便通过面向目标和局部指定的生产过程改进，将路况手册基础载体的故障概率降至最低。