设计仿真 | Digimat在NVH和热冲击的应用
塞拉尼斯公司是一家全球化工技术和特种材料公司。作为化工行业内公认的创新型公司，其设计和制造一系列与生活息息相关的产品。公司庞大而多元化的全球客户群涵盖了众多行业内的主要企业。公司业务在全球均衡分布，涉及多个终端应用领域，广泛用于消费品和工业品。塞拉尼斯联合海克斯康，致力于构建在NVH和热冲击载荷下，复合材料性能精确评估的工作流程及解决方案。
01 介 绍
Digimat是海克斯康旗下一款专注于多尺度复合材料非线性材料本构预测和材料建模的商用软件包。Digimat能够帮助用户预测多相材料的宏观性能，支持的材料范围涉及包含连续纤维、长纤维、短纤维、纤维编织、晶须、颗粒、片层等所有增强相和包括树脂基、金属基和陶瓷基在内的多类基体材料。广泛的软件接口可以为几乎所有的主流有限元程序提供材料模型或进行多尺度的耦合分析。多尺度的分析结果使得对材料和结构的失效预测更加准确。
图1. Digimat软件界面
02 在NVH的应用
复合材料大量应用于汽车零部件及总成结构中，在针对此类型结构进行动力学仿真分析时，传统的有限元仿真分析无法考虑复合材料的复杂的粘弹性各向异性行为，只能认为材料是各向同性的，因此不能准确描述结构的NVH响应。
Digimat作为一款专注于复合材料仿真分析的软件，其中粘弹性材料卡片可以考虑频率对刚度和阻尼的影响，以及各向异性力学性能和材料阻尼，如图2所示。因此能够对复合材料结构进行精确的有限元分析，帮助工程师正确设计塑料部件，以获得产品最佳的NVH性能。
图2. Digimat的粘弹性材料卡片
Digimat的材料卡片参数可以通过实验获得，通过测试不同频率和温度下的G'&G”曲线，利用时间-温度等效原理，将主曲线组装成相对于给定温度的唯一曲线。利用Digimat MX模块中的材料逆向工程，可以实现对粘弹性材料卡片的校准，如图3所示。校准后的材料卡片可以准确预测准静态刚度，以及应用频率范围的结果（通常大于50Hz）。
图3. Digimat MX中PA66 GF35% - 90C & DAM材料的校准结果
将得到的材料卡片用于实际产品的谐响应仿真分析中，并与不同温度下的锤击实验结果进行对比，如图4所示。结果表明，通过Digimat引入各向异性的粘弹性材料模型，仿真结果和实验结果符合的较好；相较于之前的各向同性材料模型，Digimat和有限元软件的联合仿真能够实现更精确的零部件性能模拟。
图4. 不同温度锤击实验，有限元仿真结果与实验结果对比
03 在热冲击的应用
纯电动汽车中的母线主要负责各种系统中传导电流，本文使用的母线类型为包覆成型母线，其关键性能要求为能够承受热循环和热冲击而不出现开裂。
图5. 电动汽车中的包覆成型母线结构
塞拉尼斯利用仿真分析方法和内部测试台来对母线结构进行热冲击评估，通过材料选择和设计优化来提高母线的性能。用于热机械分析的有限元联合方法工作流程如下：
填充分析：提供玻璃纤维取向和插入位移
热结构分析：预测潜在的热循环失效，并优化母线设计
Digimat的TEP卡片：温度和纤维取向对材料性能的影响模型
图6. 热机械分析的有限元联合方法
通过Digimat和有限元软件的联合仿真分析，能够更好地捕捉失效关键位置并改进有限元分析的精度（图7）。进一步，还可以针对母线结构进行热循环载荷下的失效分析（图8）。
图7. Digimat和有限元联合仿真方法能够更好捕捉失效关键位置
图8. 母线结构三个热循环载荷后的失效指标评估
04 总 结
● 塞拉尼斯建立了Digimat和有限元软件的联合仿真分析工作流程，用于改进材料建模和数值预测
● 塞拉尼斯建立了相应的测试平台，以加深对复合材料行为的理解
● 塞拉尼斯与海克斯康在热冲击失效预测方面的开发和合作正在进行中
● Digimat粘弹性材料卡已被用于支持电动汽车防振部件的开发以及同类产品和零件的设计
（海克斯康工业软件）
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