复合材料引领移动出行的未来

作者:Francesco Fiorini，蒂森克虏伯Presta AG;Fabio Pavia, 万博Ansys;Slav Dimitrov, CADFEM GmbH;Federico Negri, Ansy万博s

所有产品万博网都对环境有影响，随着消费者对自己的碳足迹感兴趣，他们越来越意识到这一点。在汽车行业，全球都在推动到2050年实现汽车零排放，以满足消费者的需求和日益严格的环保法律。为此，领先的汽车制造商及其合作伙伴正在拥抱轻量化和电气化。复合材料是使汽车更轻的关键，这样它们就可以使用更小的发动机，消耗更少的能源，产生更少的排放。

图1。由蒂森克虏伯普雷斯塔开发的伺服辅助转向系统。(一)及(二)转向系统的力学细节;(c)和(d)红色的增强塑料转向壳体;(e)人造塑胶转向壳的照片;车辆内的伺服辅助转向系统。伺服辅助转向系统壳体的完整性对于确保车辆乘员的安全至关重要。图片由蒂森克虏伯普雷斯塔提供。

图2。在Ansys Material Designer的帮助下，在Ansys Mechanical万博中构建多尺度模型的工作流程

复合材料在汽车领域的主要应用是用于引擎盖下部件和外部，使用预浸料(碳或玻璃纤维层压板)，通常用于豪华和中型汽车。然而，对于大批量生产的车型，越来越多采用的技术是通过短纤维增强塑料注塑制造安全和结构关键部件。车身面板、框架、外壳、支撑结构、保险杠和座椅结构都是用短纤维增强塑料制造的。随着电动汽车的发展，对轻量化部件的需求预计将进一步增长。

注射成型是制造大量几何复杂零件的理想工艺。除了汽车之外，许多日常用品都是注塑成型的:手机外壳、电视柜、光盘和午餐盒只是几个例子。注射成型的一个基本特征是，它可能不可能通过简单地改变工艺条件来修复生产中的零件缺陷。通常，必须修改模具以克服问题。这是昂贵的，耗费宝贵的时间。在设计阶段避免问题比在生产阶段修复问题要好得多。此外，注射成型在很大程度上依赖于精确预测加工零件在应用中的力学行为，并准确再现其微观结构的能力，这些微观结构在影响局部材料性能的各个零件中都是不同的。注塑件的结构响应仿真具有很高的工业价值。

纤维增强塑料工作流程

在纤维增强塑料中，纤维的几何形状、体积(或质量)分数、热机械性能、纤维的取向分布以及聚合物基体的热机械性能显著影响复合材料的力学和热性能。因此，从微观力学和物理角度预测注射成型复合材料宏观行为的材料建模思想变得越来越重要。

在Ansys内部提供的纤维增强塑料产品设计和开发工作流的一个例子来自蒂森克虏伯Presta AG，该公司用于伺服辅助转向系统的注塑外壳是由短纤维增强玻璃纤维复合材料制成的。万博

蒂森克虏伯普雷斯塔股份公司位于列支敦士登，是汽车行业的一级OEM供应商，隶属于德国蒂森克虏伯集团旗下的蒂森克虏伯转向业务部门，并为其管理公司。蒂森克虏伯普雷斯塔股份公司正在大力投资研发，以应对汽车行业的新趋势。其核心重点是底盘领域，特别是电动转向和线控转向系统。蒂森克虏伯Presta AG使用万博Ansys机械创建组件的3D数字双胞胎，并对其进行优化，为客户带来极高的可靠性。每10辆高档车中就有9辆采用了蒂森克虏伯的零部件，全球每4辆车中就有一辆采用了蒂森克虏伯Presta AG的技术。

图3。主要纤维方向以红色显示，使用注射成型模拟输出中的方向张量映射到塑料外壳的网格几何结构。

转向增强塑料转向壳

在过去的十年里，转向市场发生了技术上的变化，从液压辅助转向系统到电气辅助转向系统。除了齿轮部件外，转向外壳是负载最高的部件之一，这就是为什么它传统上是由铝制成的。电动助力转向的技术变革，以及经济实惠的高性能塑料的进一步发展，带来了大量新的应用可能性。

蒂森克虏伯Presta AG公司生产的伺服辅助转向系统的外壳元件最初由铝制成，在新设计中被类似形状的玻璃纤维增强高性能塑料元件所取代。挑战包括开发塑料兼容设计，同时满足OEM规格和价格预期。

伺服辅助转向系统，塑料外壳及其在车辆中的位置如图1所示。转向支撑是由位于转向柱上的助力装置提供的。在舵机的几个螺钉连接处，金属镶件用于高应力区域。玻璃纤维增强塑料的特点是耐所有典型的发动机舱试剂。具有良好的老化性能，韧性和拉伸弹性模量的变化可以忽略不计。然而，与各向同性金属不同，这种新材料不仅是各向异性的，而且是非均质的，因此各向异性性能取决于显微组织，而显微组织因注射成型工艺而局部变化。因此，在相应的工作负荷下，模拟壳体单元的应力分布对仿真工程师来说是一个真正的挑战。

图4。各向异性和各向同性(简化)模型的情况下的总位移。两种型号都使用了相同颜色的带子。

用多尺度模型迎接仿真挑战

传统上，多尺度技术在模拟纤维增强塑料的力学行为时遇到了有限的应用，因为这种模拟需要大的内存和计算能力。最近,万博Ansys材质设计器使短纤维复合材料的多尺度建模方法具有较低的计算需求。对所有可能的微观结构配置(存储在可变材料数据中)的均匀化材料性能的评估与随后分配给塑料部件的有限元表示(见图2)是分离的，这是在下游分析中根据制造过程中局部存在的给定微观结构(纤维取向张量)实现的。这种局部纤维取向状态可以从注入模拟或实验CT扫描数据中导入。在Material Designer中评估可能的微观结构时，材料响应的非线性是通过唯象应变率无关模型捕获的，该模型结合了方向相关的各向异性希尔屈服准则和非线性各向同性硬化规律，两者都符合ISO 527标准的实验数据。

这种可变材料响应作为所有可能取向的函数，然后在力学中与通过注塑数据系统导入Ansys Workbench中的本地纤维取向相结合，该界面允许用户将基于文本的注塑模拟取向数据文件导入Ansys仿真环境。万博注入过程数据被解析、处理，然后传输到下游机械系统，在那里以元素方向的形式应用，如图3所示。在将塑料壳体映射到Ansys网格上的过程中，团队考虑了主要纤维方向和纤维万博方向张量的两个最大特征值。此外，可以考虑名义纤维体积分数的局部变化和注入应力的存在，但这里忽略了。

图5。各向异性和各向同性(简化)模型的有效应力分析。两种型号都使用了相同颜色的带子。应力模式在两个模型中出现不同，特别是(各向异性模型突出显示)，壳体底部的肋和一个附着点。注意各向异性模型和各向同性模型之间临界位置的变化。

更高的精度，无需更多的模拟时间

将转向壳体精确建模为各向异性并考虑局部纤维取向的仿真与将简化等效各向同性材料模型应用于壳体的仿真进行了比较，从而忽略了增强纤维的局部取向。对于等效各向同性材料，材料特性是指纤维具有完全随机取向的材料特性。这是一种非常常见的工程方法，通常在没有专门的工作流程(如Ansys中提供的工作流程)的情况下使用，在这里使用的是更精确的各向异性材料模型。万博

如表1所示，短纤维增强塑料使用更精确的工作流程，在求解时间、所需内存或Ansys要求的结果文件大小方面，不会显著增加模拟的计算负担。万博然而，简化的各向同性模型表现得过于柔顺(图4)，与各向异性模型显示的位移值相比，预测的最大变形值高出50%。

图5包含了对相同几何结构获得的有效应力结果的图，但在对壳体的分析中考虑了两种不同类型的材料模型。结果表明，各向异性模型刚度越大，内应力在壳体内部趋于固定，内应力值越大，对壳体强度的影响也越大。与简化的各向同性模型相比，各向异性模型中关键位置(图中红色部分)的有效应力要高40%-50%。考虑弹塑性各向异性和局部纤维取向分布的非均匀性会显著改变临界加载材料点，结果表明，更准确的模型正确地捕捉了物理现实，这已被蒂森克虏伯Presta AG公司进行的实验测试所验证。

这些结果表明，使用短纤维增强塑料的工作流程可以得到更真实的结果，并且可以防止在模拟载荷情况下严重低估转向壳体的应力水平和高估转向系统的变形，这将是更常见的简化工程方法所能实现的。对于这种复杂的多尺度模拟，Ansys对纤维增强塑料工作流万博程的更高精度只是最低限度地增加了计算需求。Ansy万博s软件帮助蒂森克虏伯普雷斯塔股份公司实现了原金属部件减重50%的目标，并评估了所有机械性能和OEM要求。

使用Ansy万博s使蒂森克虏伯普雷斯塔公司在实际制造之前就对塑料外壳的设计充满信心。蒂森克虏伯普雷斯塔股份有限公司采用了创新的轻质塑料转向系统外壳，支持了该公司的生态和经济目标，并帮助该公司引领未来汽车市场转向系统的发展。