設(shè)計(jì)仿真 | Digimat在電池殼體SMC復(fù)合材料成型工藝中的應(yīng)用

SMC（Sheet Molding Compound的縮寫(xiě)，即片狀模塑料）是一種復(fù)合材料制造工藝。該工藝可以有效地代替金屬，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輕量化目標(biāo)。該工藝不僅能夠顯著降低車(chē)身重量，而且設(shè)計(jì)靈活，操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可成型表面光滑結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品等。近年來(lái)可以看到越來(lái)越多的電車(chē)企業(yè)，選擇SMC作為制備電池殼體的首選工藝。其成型方法是將纖維短切，鋪設(shè)在樹(shù)脂和添加劑混合所形成的樹(shù)脂漿料上，之后在表面進(jìn)行樹(shù)脂疊加，三者通過(guò)加壓固化的方式改變材料厚度，最后包裝。

在得到SMC工藝制備的片狀卷材后，會(huì)對(duì)材料進(jìn)行進(jìn)一步加工，通常稱(chēng)為CF-SMC模壓成型工藝，將連續(xù)碳纖維和短切纖維通過(guò)不同形式的混雜加工從而制備成形狀較為復(fù)雜、有較高尺寸精度要求的復(fù)合材料零部件，這里連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體彌補(bǔ)了短切纖維的力學(xué)短板，達(dá)到了局部補(bǔ)強(qiáng)的目的?？梢钥闯鲈摲N方式通過(guò)控制纖維長(zhǎng)短，鋪設(shè)方向，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)復(fù)合材料的力學(xué)性能，在力學(xué)性能的可控性和可設(shè)計(jì)性要比單層SMC片材大。該工藝適用于大批量、重復(fù)性高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車(chē)半結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)。在不犧牲力學(xué)性能、表面質(zhì)量的情況下進(jìn)一步減輕重量。

該制造工藝的難點(diǎn)在于需要設(shè)計(jì)匹配的鋪層或者纖維的分布，用以配合不同結(jié)構(gòu)件的力學(xué)或其他性能要求。這些挑戰(zhàn)要求在設(shè)計(jì)之初，不僅需要考慮純力學(xué)分析，還要考慮制造工藝過(guò)程中所引入的材料各向異性。由于有意識(shí)的設(shè)計(jì)纖維分布的不均勻，導(dǎo)致在宏觀表征上，結(jié)構(gòu)件的各向異性明顯。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析可以快速方便地研究不同設(shè)計(jì)得到的車(chē)身結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，進(jìn)而幫助企業(yè)快速確定工藝參數(shù)，減少了實(shí)際測(cè)試和調(diào)整的時(shí)間和次數(shù)，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，提高研發(fā)和生產(chǎn)效率。

Digimat是一款多尺度復(fù)合材料性能預(yù)測(cè)商業(yè)軟件，能夠幫助用戶在材料微觀結(jié)構(gòu)，制造工藝和宏觀結(jié)構(gòu)性能等方面進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)和分析。

Digimat 用戶界面

在SMC工藝中Digimat可以從多個(gè)角度進(jìn)行技術(shù)支持和分析。微觀結(jié)構(gòu)上，Digimat可以建立RVE單元，分析材料的微觀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以考慮纖維的長(zhǎng)短，纖維的形狀，纖維的體積比等。此外，樹(shù)脂的材料屬性也可以進(jìn)行進(jìn)一步分析，從材料組分上構(gòu)建準(zhǔn)確的材料模型。

Digimat分析材料微觀結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步進(jìn)行制造工藝分析，在工藝流程軟件如Moldflow，Moldex3D中可以進(jìn)行纖維分布，熔接線等分析。參考下圖的兩種設(shè)計(jì)，可以看出，當(dāng)SMC工藝鋪層方式不同時(shí)，盡管工藝仿真顯示，纖維分布方向近似，但熔接線有著明顯的不同。

SMC結(jié)構(gòu)件中纖維分布和熔接線

在得到熔接線的分布情況后，結(jié)合材料各向異性和纖維分布，在結(jié)構(gòu)有限元分析中，賦予每個(gè)單元不同的材料性能。同時(shí)在熔接線處進(jìn)行性能折減處理，全面考慮工藝流程對(duì)結(jié)構(gòu)件性能的影響。

如下圖中結(jié)構(gòu)件有限元分析顯示，一個(gè)電車(chē)電池殼體分析，考慮頂層分布和底層微觀結(jié)構(gòu)，即纖維分布排列情況。場(chǎng)景一，在不考慮纖維分布，材料各向異性的情況下，分析結(jié)構(gòu)件宏觀力與位移關(guān)系，場(chǎng)景二分析結(jié)果顯示，施加相同位移情況下，受力低15%。同時(shí)，在下圖中也可以觀察到，結(jié)構(gòu)件的失效位置也有所不同。在第一種情境分析下，失效區(qū)主要集中在T區(qū)。但當(dāng)我們考慮材料的各向異性，即下圖中中間和右側(cè)的分析結(jié)果?？梢钥吹竭吘壧幋嬖谑^(qū)域。此外，不同工藝下，由于熔接線的不同，T區(qū)的失效程度也有差異。整體來(lái)看，考慮材料的各向異性、制造工藝的影響，可以準(zhǔn)確的分析受力邊界和失效區(qū)域。

SMC在電車(chē)電池殼體中的力學(xué)分析結(jié)構(gòu)

利用Digimat與工藝軟件、有限元仿真分析軟件的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了含有各向異性纖維的復(fù)合材料車(chē)身結(jié)構(gòu)件的仿真分析。從材料微觀結(jié)構(gòu)，制造工藝，結(jié)構(gòu)件仿真全方面精確模擬不同條件下SMC車(chē)身結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，幫助企業(yè)優(yōu)化工藝，節(jié)省材料損失，縮短研發(fā)時(shí)間，達(dá)到降本增效的目的。