作為我們與 e-Xstream 共同實(shí)施的合作伙伴方法論研究項(xiàng)目的一部分，Digimat 所展現(xiàn)的獨(dú)特能力給我留下了深刻印象。借助該軟件我們能夠優(yōu)化復(fù)合材料設(shè)計(jì)的微觀結(jié)構(gòu)，因此我們可以針對(duì)特定的 NVH 要求進(jìn)行材料微調(diào)。在汽車上采用復(fù)合材料是必不可少的減重舉措，由此可以減少燃料消耗、降低二氧化碳排放。但這有時(shí)會(huì)使 NVH 性能有一定程度的下降。Digimat 能讓工程師正確地完成復(fù)合材料的建模、設(shè)計(jì)，對(duì)最優(yōu)阻尼性能進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到所需的 NVH 性能和改進(jìn)要求。這在部件輕量化設(shè)計(jì)方面邁出了巨大的一步！—— Mario Felice，福特汽車公司全球動(dòng)力總成NVH CAE 部經(jīng)理

概述

福特汽車公司將玻璃纖維增強(qiáng)塑料用于汽車動(dòng)力總成零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、進(jìn)氣道及發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼等。在汽車部件設(shè)計(jì)上使用這些材料有許多優(yōu)勢(shì)，其中包括提供優(yōu)于金屬材料的阻尼性能以及輕量化的可能。但由于制造工藝所造成的復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增強(qiáng)塑料的剛度、阻尼均與頻率相關(guān)且呈現(xiàn)局部各向異性。要想對(duì)此類部件進(jìn)行有效的NVH設(shè)計(jì)，就要采用能夠有效體現(xiàn)以上材料特征的相應(yīng)技術(shù)，使其貫穿從材料特性研究到部件設(shè)計(jì)迭代性能預(yù)測(cè)的方方面面。

挑戰(zhàn)

?如何建立材料模型，才能正確地獲取與頻率和局部纖維方向關(guān)系密切的局部各向異性剛度和阻尼性能？

?材料的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)零件的 NVH 行為有何影響？

使用者如能掌握上述技術(shù)，不僅可將軟件工具作為預(yù)測(cè)性仿真方法，還可以精確調(diào)校注塑參數(shù)改變纖維走向以達(dá)到期望的部件性能。這對(duì)福特汽車公司來說是一個(gè)難得的良機(jī)，由此可以帶來兩點(diǎn)好處：

? 能夠優(yōu)化零件的 NVH 性能及重量

? 減少了為滿足聲學(xué)目標(biāo)而采取的通常會(huì)增加部件重量的糾正措施

解決方案

在兩個(gè)動(dòng)力總成部件上應(yīng)用了Digimat技術(shù)：

?   發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼，以便：

-   基于DMA試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用該軟件創(chuàng)建粘彈性材料模型。

-   通過結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證模態(tài)頻率和加速度峰值預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

?   發(fā)動(dòng)機(jī)支架，以便：

-   估算纖維方向、纖維質(zhì)量比及纖維長(zhǎng)度會(huì)給部件的 NVH 行為造成多大程度的影響。

針對(duì)各種應(yīng)用情況，將纖維方向分布映射到 Nastran 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上。通過纖維定向映射可以與有限元分析中的多尺度粘彈性材料模型建立聯(lián)系，將制造工藝對(duì)部件行為預(yù)測(cè)的影響考慮在內(nèi)。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行仿真時(shí)，在材料文件中可直接修改纖維質(zhì)量比和纖維長(zhǎng)度，以便判定它們對(duì)仿真的影響。

結(jié)果/收益 

發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼案例分析表明，與福特汽車公司常用的各向同性法相比，在識(shí)別模態(tài)頻率和加速度峰值方面均有明顯改進(jìn)：參見圖1。

發(fā)動(dòng)機(jī)支架案例分析則揭示了各個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（纖維方向、纖維長(zhǎng)度及纖維質(zhì)量比）對(duì)部件性能有著重大潛在影響，可以將它們視為設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，通過微調(diào)注塑參數(shù)以改變材料微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工程師就可以從阻尼和輕量化的角度對(duì)部件性能進(jìn)行優(yōu)化：參見圖 2。

圖1.發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼：模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明，與常用的各向同性法相比，采用 Digimat 技術(shù)取得了明顯改進(jìn)，前者在全頻率范圍低估了部件的NVH 性能。

圖2.發(fā)動(dòng)機(jī)支架：纖維方向、質(zhì)量比及長(zhǎng)徑比對(duì)部件的剛度和阻尼行為的影響與各峰值的頻率及本征模態(tài)有關(guān)