應(yīng)用預(yù)測工具CZone來模擬復(fù)合材料的軸向擠壓響應(yīng)，為復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用提供了有價值的洞見。

用于 CZone 測試的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試樣，它模仿了汽車碰撞結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，包括截面的變化、嵌件以及此類結(jié)構(gòu)中常見的通孔特征（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

在汽車行業(yè)遵循嚴格的燃油經(jīng)濟性法規(guī)以及減少碳排放要求的推動下，復(fù)合材料在乘用車結(jié)構(gòu)制造中的用量正在增加。一個值得一提的進展是，復(fù)合材料的碰撞結(jié)構(gòu)越來越普及，特別是用碳纖維增強聚合物（CFRP）制成的碰撞結(jié)構(gòu)，其每單位質(zhì)量的吸能性在賽車應(yīng)用中給人留下了深刻的印象。

與通過各種屈曲和彎折機制發(fā)生塑性變形從而在碰撞過程中吸收動能的各向同性的金屬結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)擠壓前沿沿長度移動時，承受軸向壓縮力的復(fù)合材料會從一端逐漸向另一端分解。在遭受高的軸向沖擊載荷事故中，這些結(jié)構(gòu)通過破損機制有效地耗散能量，從而減輕由此產(chǎn)生的極大的加速度和力。

用于 CZone 測試的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試樣，它模仿了汽車碰撞結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，包括截面的變化、嵌件以及此類結(jié)構(gòu)中常見的通孔特征（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

然而，復(fù)合材料在擠壓過程中的行為是非常復(fù)雜的，涉及纖維與周圍基體之間產(chǎn)生的多種復(fù)雜的微交互。此外，準確、方便地分析碰撞下的復(fù)合材料行為歷來是一大難題，限制了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在道路車輛上的廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效模式復(fù)雜，傳統(tǒng)的有限元分析（FEA）工具在精確描述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效機制方面面臨挑戰(zhàn)，阻礙了對其碰撞行為的模擬以及為道路車輛開發(fā)經(jīng)濟高效的碰撞結(jié)構(gòu)。

為解決這一問題，HRC（恒瑞公司，中國上海）旗下專注于FEA的輕量化工程咨詢公司 Engenuity Ltd.（英國西薩塞克斯）為達索系統(tǒng)（法國巴黎）的 Abaqus-Explicit FEA 軟件程序創(chuàng)建了一個附加應(yīng)用程序。這個名為CZone的App是在過去十年中開發(fā)的，專為精確模擬碰撞場景中的復(fù)合材料行為而設(shè)計，它使用非線性顯式 FEA 方法來實現(xiàn)這一目標。

“CZone滿足了對復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)進行高級擠壓模擬的迫切需求。”Engenuity UK 的技術(shù)總監(jiān) Ian Coles 解釋道，“通過精心開發(fā)，它彌補了在碰撞場景中對復(fù)合材料的吸能性進行試驗觀測之間的差距，有必要對更大規(guī)模的碰撞事故中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的相互作用和穩(wěn)定性進行理解和可靠預(yù)測。”

CZone的背景

Coles表示，一直以來，為開發(fā)出可靠的復(fù)合材料碰撞仿真工具，F(xiàn)EA領(lǐng)域經(jīng)歷了多重努力。“盡管使用了 LS-Dyna、PamCrash和Radioss 等程序，但是，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整個長度上，以及在擠壓前沿材料碎片吸收能量的區(qū)域，一種能夠有效處理預(yù)測故障的綜合解決方案仍然難以捉摸。”他說道，“即使是復(fù)合材料手冊 CMH-17 的防撞性能工作組也遇到了使用傳統(tǒng)代碼的困難，值得一提的是，它們對非物理參數(shù)變量具有依賴性并產(chǎn)生極具‘爭議'的力結(jié)果。”

“傳統(tǒng)規(guī)范對元件尺寸、接觸定義、載荷-穿透曲線和擠壓前沿軟化參數(shù)等因素很敏感。”他繼續(xù)說道，“因此，這些方法不適用于預(yù)測分析，需要開發(fā)一種新的方案，這促使我們開發(fā)了CZone。”

CZone 將“擠壓應(yīng)力”視為是由復(fù)合材料表現(xiàn)出的一種獨特的力學(xué)性能。當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一段受到?jīng)_擊力時，這種擠壓應(yīng)力可提供持續(xù)的阻力，該阻力作為車輛 FEA 模型中復(fù)合材料碰撞結(jié)構(gòu)其余部分的輸入力。

在Abaqus/Explicit FEA軟件中，CZone 能夠?qū)D壓應(yīng)力與已納入Abaqus Damage（用于纖維增強復(fù)合材料材料模型）的其他的復(fù)合材料失效模式結(jié)合起來，在擠壓區(qū)生成單元力建模。

為CZone開發(fā)數(shù)據(jù)

CZone的產(chǎn)品開發(fā)過程需要一種全面的材料表征方法，這是從材料的物理測試開始的，然后表征到 FEA 材料卡中。此階段之后，將生成部件的 FEA 模型，然后，該模型被用于優(yōu)化利用CZone開發(fā)的部件的材料鋪層，并通過這些測量的材料屬性來開發(fā)高效而安全的部件，以吸收需要吸收的能量并達到所需的減速水平。

在確定擠壓應(yīng)力力學(xué)性能時，Engenuity 在復(fù)合材料試樣上作了物理擠壓試驗，該試樣是從所選的層壓結(jié)構(gòu)的平板或薄片上用水槍切割下來的。這些試樣專為擠壓試驗而設(shè)計，一端被切成鋸齒狀，以啟動擠壓過程。

試片是準各向同性的，一端呈鋸齒狀，用于啟動擠壓過程（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

擠壓測試使用了訂制設(shè)計的測試夾具，該夾具可用于各種加載設(shè)備，如 Instron（英國白金漢郡）的材料沖擊測試系統(tǒng)或 Engenuity 的訂制高能落錘。該測試夾具在擠壓過程中提供橫向約束力以防止屈曲，并有助于破碎的碎屑排出而不影響隨后的擠壓響應(yīng)。這些測試生成的材料擠壓值與最終的復(fù)合材料部件無關(guān)，因此可用于預(yù)測任何結(jié)構(gòu)的行為，而無需進一步測試子部件或最終部件。

“為了實現(xiàn)最佳吸能，推進的擠壓前沿必須沿復(fù)合材料構(gòu)件的長度持續(xù)推進。”Coles 解釋說，“這需要對層壓材料的行為有深入的了解，以便有效可靠地設(shè)計和模擬安全碰撞結(jié)構(gòu)所需的運行物理學(xué)。”典型的復(fù)合材料碰撞結(jié)構(gòu)試樣由高強度碳纖維（也可以使用玻璃纖維）以及熱固性或熱塑性的基體材料制成，按0°、90°、+45° 和 -45°組成一個準各向同性的層壓板，以獲得最佳的力學(xué)性能（取決于其他的外部加載情況）。

在完成物理測試以表征層壓板的擠壓性能后，需要對數(shù)據(jù)進行處理，以生成要在 Abaqus/Explicit FEA 軟件中應(yīng)用的材料特定的擠壓應(yīng)力值，這確保了在后續(xù)的虛擬仿真和分析中準確反映層壓板材料的擠壓行為。

復(fù)合材料抗壓結(jié)構(gòu)設(shè)計

在為車輛的碰撞系統(tǒng)開發(fā)復(fù)合材料抗壓結(jié)構(gòu)時，必須對材料特性、形狀設(shè)計、層壓板厚度、纖維取向和其他關(guān)鍵參數(shù)進行全面分析。碰撞結(jié)構(gòu)通常由多個部分組成，每個部分在擠壓過程中都表現(xiàn)出獨特的行為。

對 0°擠壓試驗中的復(fù)合材料碰撞結(jié)構(gòu)試樣進行擠壓前、后的分析，證明了真實的碰撞破損（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

“擠壓區(qū)是指部件中受障礙物影響的部分并延伸到影響停止之處，它在定義整個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體行為方面起著最關(guān)鍵的作用。”Coles介紹說，“在碰撞事故中，大部分的能量吸收和耗散都發(fā)生在這個擠壓區(qū)。”

他補充道：“這里的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要確保碰撞結(jié)構(gòu)一致而有效地變形并分散能量，從而為車輛提供所需的減速，以保護乘員免受傷害。這需要進行仔細的分析和測試，以確保結(jié)構(gòu)在各種碰撞情景下按預(yù)期的運行。”“必須考慮發(fā)生在部件擠壓區(qū)內(nèi)的各種故障模式帶來的綜合影響以及系統(tǒng)在擠壓區(qū)外的行為。”他建議道，“這涉及模擬面內(nèi)層壓板的失效和層間分層，以確保結(jié)構(gòu)能夠有效減輕沖擊力。”

CZone發(fā)揮作用

為了證明CZone軟件的能力，創(chuàng)建了一系列專門的錐形測試試樣，這些試樣模仿了汽車碰撞結(jié)構(gòu)的大小和形狀，包括在這種結(jié)構(gòu)中常見的截面變化、嵌件和通孔特征。一個重960kg的滑車以10m/s的速度擠壓這些物體，以此來模擬碰撞場景中的復(fù)合材料行為。

試樣測試的目的有兩個：第一，測試必須顯示出與擠壓力的相關(guān)性，對于組合成部件的不同疊層而言，該擠壓力發(fā)生在穩(wěn)定的擠壓前沿；其次，必須能夠預(yù)測遠離碰撞前沿的結(jié)構(gòu)故障。“在設(shè)計耐碰撞的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時，除了要考慮基本的擠壓前沿之外，考慮結(jié)構(gòu)破損或失效的可能性也至關(guān)重要。”Coles說道，“這些區(qū)域的結(jié)構(gòu)破損或失效會破壞結(jié)構(gòu)的吸能性。在突然斷裂的情況下，隨著隨后對結(jié)構(gòu)更大程度的侵入，進一步吸能的潛力會喪失。”

針對第一種情況，對各種疊層進行了多次測試，并評估了在碰撞過程中產(chǎn)生的擠壓力。總共評估了15 種通過CZone設(shè)計的不同疊層，計算了預(yù)測的擠壓力。測試結(jié)果與預(yù)測行為密切相關(guān)，顯示減速力在10%以內(nèi)。

此圖顯示了滑車測試期間反作用力與位移的關(guān)系，比較了試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

為了滿足第二組的要求，必須確保充分了解遠離主碰撞區(qū)的潛在失效點。為此，Engenuity 利用CZone設(shè)計了復(fù)合材料錐體，特意在距離初始擠壓區(qū)一定距離之處失效。通過漸進增加材料厚度，他們可以穩(wěn)步增加擠壓力，直到位于主碰撞區(qū)后面的結(jié)構(gòu)無法承受不斷增加的載荷并出現(xiàn)失效。施加的力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的點與預(yù)測值非常吻合，與實際測試相差不到10mm。

分析團隊和CZone的任務(wù)是進行最終測試，涉及將錐體設(shè)置為與碰撞方向成 30°角。該測試需要在整個碰撞事故中逐漸擠壓，并使重達960kg的滑車以10m/s的速度、按30°角的方向向錐體移動，直至受控停止為止。為了進行比較，還在按30°角向錐體移動的滑車碰撞中評估了為 0°偏移而設(shè)計的錐體。

對碰撞后復(fù)合材料錐體結(jié)構(gòu)進行的仿真與實際情況的比較，凸顯了預(yù)測的準確性（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

“對物理測試與模擬數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明，由于在碰撞事故中，錐體與其支撐結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)了早期的災(zāi)難性斷裂，物理測試和模擬都表現(xiàn)出最小的擠壓響應(yīng)，因此，觀察到滑車的減速非常小。”Coles 解釋說。

在按30°沖擊角進行的滑車碰撞測試中，預(yù)測值與試驗反作用力的比較（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

針對主測試，一個更復(fù)雜的錐體結(jié)構(gòu)——類似于以前的結(jié)構(gòu)，但利用CZone作了設(shè)計以承受載荷角度，同時還能產(chǎn)生足夠的擠壓力，從而能以受控方式安全停止滑車——承受 30°的碰撞角度。

“盡管與第一次測試的碰撞角度相似，但在物理測試和仿真中都出現(xiàn)了明顯的擠壓，產(chǎn)生的擠壓力使滑車受控停止。”Coles 強調(diào)說，“這與前一個例子有明顯的吸能差異，漸進式擠壓產(chǎn)生的持續(xù)阻力導(dǎo)致整個事件中的反作用力增加。”

試驗性滑車測試顯示了復(fù)雜錐體結(jié)構(gòu)的擠壓情況，斷裂發(fā)生在遠離擠壓前沿的地方（圖片來源：Engenuity Ltd. ）

“如果沒有 CZone 來準確預(yù)測擠壓力，就不可能設(shè)計出過渡區(qū)結(jié)構(gòu)中的材料鋪層來承受這些沖擊。”Coles 補充道。

試驗結(jié)果

CZone 技術(shù)證明了其與汽車碰撞結(jié)構(gòu)的物理測試具有高度的相關(guān)性。“通過結(jié)合測量的擠壓應(yīng)力特性，CZone 能夠準確模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與沖擊體之間的擠壓響應(yīng)。”Coles 強調(diào)說，“對各種復(fù)合材料碰撞結(jié)構(gòu)和載荷工況的廣泛測試表明，仿真結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)之間具有很強的相關(guān)性。”

這種相關(guān)性可以有效地預(yù)測擠壓響應(yīng)，并能夠準確預(yù)測不直接位于擠壓前沿區(qū)域的破損和失效。將 CZone 技術(shù)集成到 Abaqus/Explicit FEA 軟件中，為設(shè)計具有嚴格耐撞性和吸能要求的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)作出了重大貢獻。“隨著各行各業(yè)越來越依賴分析和仿真工具進行設(shè)計優(yōu)化，CZone 技術(shù)為開發(fā)此類汽車結(jié)構(gòu)提供了寶貴的洞見。”Coles 總結(jié)道。