可破损复合材料结构的建模与表征

应用预测工具CZone来模拟复合材料的轴向挤压响应，为复合材料在汽车上的应用提供了有价值的洞见。

用于 CZone 测试的复合材料结构试样，它模仿了汽车碰撞结构的尺寸和形状，包括截面的变化、嵌件以及此类结构中常见的通孔特征（图片来源：Engenuity Ltd. ）

在汽车行业遵循严格的燃油经济性法规以及减少碳排放要求的推动下，复合材料在乘用车结构制造中的用量正在增加。一个值得一提的进展是，复合材料的碰撞结构越来越普及，特别是用碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的碰撞结构，其每单位质量的吸能性在赛车应用中给人留下了深刻的印象。

与通过各种屈曲和弯折机制发生塑性变形从而在碰撞过程中吸收动能的各向同性的金属结构相比，当挤压前沿沿长度移动时，承受轴向压缩力的复合材料会从一端逐渐向另一端分解。在遭受高的轴向冲击载荷事故中，这些结构通过破损机制有效地耗散能量，从而减轻由此产生的极大的加速度和力。

用于 CZone 测试的复合材料结构试样，它模仿了汽车碰撞结构的尺寸和形状，包括截面的变化、嵌件以及此类结构中常见的通孔特征（图片来源：Engenuity Ltd. ）

然而，复合材料在挤压过程中的行为是非常复杂的，涉及纤维与周围基体之间产生的多种复杂的微交互。此外，准确、方便地分析碰撞下的复合材料行为历来是一大难题，限制了复合材料结构在道路车辆上的广泛应用。由于复合材料结构的失效模式复杂，传统的有限元分析（FEA）工具在精确描述复合材料结构的失效机制方面面临挑战，阻碍了对其碰撞行为的模拟以及为道路车辆开发经济高效的碰撞结构。

为解决这一问题，HRC（恒瑞公司，中国上海）旗下专注于FEA的轻量化工程咨询公司 Engenuity Ltd.（英国西萨塞克斯）为达索系统（法国巴黎）的 Abaqus-Explicit FEA 软件程序创建了一个附加应用程序。这个名为CZone的App是在过去十年中开发的，专为精确模拟碰撞场景中的复合材料行为而设计，它使用非线性显式 FEA 方法来实现这一目标。

“CZone满足了对复合材料吸能结构进行高级挤压模拟的迫切需求。”Engenuity UK 的技术总监 Ian Coles 解释道，“通过精心开发，它弥补了在碰撞场景中对复合材料的吸能性进行试验观测之间的差距，有必要对更大规模的碰撞事故中复杂结构的相互作用和稳定性进行理解和可靠预测。”

CZone的背景

Coles表示，一直以来，为开发出可靠的复合材料碰撞仿真工具，FEA领域经历了多重努力。“尽管使用了 LS-Dyna、PamCrash和Radioss 等程序，但是，在复合材料结构的整个长度上，以及在挤压前沿材料碎片吸收能量的区域，一种能够有效处理预测故障的综合解决方案仍然难以捉摸。”他说道，“即使是复合材料手册 CMH-17 的防撞性能工作组也遇到了使用传统代码的困难，值得一提的是，它们对非物理参数变量具有依赖性并产生极具‘争议'的力结果。”

“传统规范对元件尺寸、接触定义、载荷-穿透曲线和挤压前沿软化参数等因素很敏感。”他继续说道，“因此，这些方法不适用于预测分析，需要开发一种新的方案，这促使我们开发了CZone。”

CZone 将“挤压应力”视为是由复合材料表现出的一种独特的力学性能。当复合材料结构的一段受到冲击力时，这种挤压应力可提供持续的阻力，该阻力作为车辆 FEA 模型中复合材料碰撞结构其余部分的输入力。

在Abaqus/Explicit FEA软件中，CZone 能够将挤压应力与已纳入Abaqus Damage（用于纤维增强复合材料材料模型）的其他的复合材料失效模式结合起来，在挤压区生成单元力建模。

为CZone开发数据

CZone的产品开发过程需要一种全面的材料表征方法，这是从材料的物理测试开始的，然后表征到 FEA 材料卡中。此阶段之后，将生成部件的 FEA 模型，然后，该模型被用于优化利用CZone开发的部件的材料铺层，并通过这些测量的材料属性来开发高效而安全的部件，以吸收需要吸收的能量并达到所需的减速水平。

在确定挤压应力力学性能时，Engenuity 在复合材料试样上作了物理挤压试验，该试样是从所选的层压结构的平板或薄片上用水枪切割下来的。这些试样专为挤压试验而设计，一端被切成锯齿状，以启动挤压过程。

试片是准各向同性的，一端呈锯齿状，用于启动挤压过程（图片来源：Engenuity Ltd. ）

挤压测试使用了订制设计的测试夹具，该夹具可用于各种加载设备，如 Instron（英国白金汉郡）的材料冲击测试系统或 Engenuity 的订制高能落锤。该测试夹具在挤压过程中提供横向约束力以防止屈曲，并有助于破碎的碎屑排出而不影响随后的挤压响应。这些测试生成的材料挤压值与最终的复合材料部件无关，因此可用于预测任何结构的行为，而无需进一步测试子部件或最终部件。

“为了实现最佳吸能，推进的挤压前沿必须沿复合材料构件的长度持续推进。”Coles 解释说，“这需要对层压材料的行为有深入的了解，以便有效可靠地设计和模拟安全碰撞结构所需的运行物理学。”典型的复合材料碰撞结构试样由高强度碳纤维（也可以使用玻璃纤维）以及热固性或热塑性的基体材料制成，按0°、90°、+45° 和 -45°组成一个准各向同性的层压板，以获得最佳的力学性能（取决于其他的外部加载情况）。

在完成物理测试以表征层压板的挤压性能后，需要对数据进行处理，以生成要在 Abaqus/Explicit FEA 软件中应用的材料特定的挤压应力值，这确保了在后续的虚拟仿真和分析中准确反映层压板材料的挤压行为。

复合材料抗压结构设计

在为车辆的碰撞系统开发复合材料抗压结构时，必须对材料特性、形状设计、层压板厚度、纤维取向和其他关键参数进行全面分析。碰撞结构通常由多个部分组成，每个部分在挤压过程中都表现出独特的行为。

对 0°挤压试验中的复合材料碰撞结构试样进行挤压前、后的分析，证明了真实的碰撞破损（图片来源：Engenuity Ltd. ）

“挤压区是指部件中受障碍物影响的部分并延伸到影响停止之处，它在定义整个复合材料结构的整体行为方面起着最关键的作用。”Coles介绍说，“在碰撞事故中，大部分的能量吸收和耗散都发生在这个挤压区。”

他补充道：“这里的结构设计需要确保碰撞结构一致而有效地变形并分散能量，从而为车辆提供所需的减速，以保护乘员免受伤害。这需要进行仔细的分析和测试，以确保结构在各种碰撞情景下按预期的运行。”“必须考虑发生在部件挤压区内的各种故障模式带来的综合影响以及系统在挤压区外的行为。”他建议道，“这涉及模拟面内层压板的失效和层间分层，以确保结构能够有效减轻冲击力。”

CZone发挥作用

为了证明CZone软件的能力，创建了一系列专门的锥形测试试样，这些试样模仿了汽车碰撞结构的大小和形状，包括在这种结构中常见的截面变化、嵌件和通孔特征。一个重960kg的滑车以10m/s的速度挤压这些物体，以此来模拟碰撞场景中的复合材料行为。

试样测试的目的有两个：第一，测试必须显示出与挤压力的相关性，对于组合成部件的不同叠层而言，该挤压力发生在稳定的挤压前沿；其次，必须能够预测远离碰撞前沿的结构故障。“在设计耐碰撞的复合材料结构时，除了要考虑基本的挤压前沿之外，考虑结构破损或失效的可能性也至关重要。”Coles说道，“这些区域的结构破损或失效会破坏结构的吸能性。在突然断裂的情况下，随着随后对结构更大程度的侵入，进一步吸能的潜力会丧失。”

针对第一种情况，对各种叠层进行了多次测试，并评估了在碰撞过程中产生的挤压力。总共评估了15 种通过CZone设计的不同叠层，计算了预测的挤压力。测试结果与预测行为密切相关，显示减速力在10%以内。

此图显示了滑车测试期间反作用力与位移的关系，比较了试验数据和仿真数据（图片来源：Engenuity Ltd. ）

为了满足第二组的要求，必须确保充分了解远离主碰撞区的潜在失效点。为此，Engenuity 利用CZone设计了复合材料锥体，特意在距离初始挤压区一定距离之处失效。通过渐进增加材料厚度，他们可以稳步增加挤压力，直到位于主碰撞区后面的结构无法承受不断增加的载荷并出现失效。施加的力导致结构失效的点与预测值非常吻合，与实际测试相差不到10mm。

分析团队和CZone的任务是进行最终测试，涉及将锥体设置为与碰撞方向成 30°角。该测试需要在整个碰撞事故中逐渐挤压，并使重达960kg的滑车以10m/s的速度、按30°角的方向向锥体移动，直至受控停止为止。为了进行比较，还在按30°角向锥体移动的滑车碰撞中评估了为 0°偏移而设计的锥体。

对碰撞后复合材料锥体结构进行的仿真与实际情况的比较，凸显了预测的准确性（图片来源：Engenuity Ltd. ）

“对物理测试与模拟数据进行比较，结果表明，由于在碰撞事故中，锥体与其支撑结构之间出现了早期的灾难性断裂，物理测试和模拟都表现出最小的挤压响应，因此，观察到滑车的减速非常小。”Coles 解释说。

在按30°冲击角进行的滑车碰撞测试中，预测值与试验反作用力的比较（图片来源：Engenuity Ltd. ）

针对主测试，一个更复杂的锥体结构——类似于以前的结构，但利用CZone作了设计以承受载荷角度，同时还能产生足够的挤压力，从而能以受控方式安全停止滑车——承受 30°的碰撞角度。

“尽管与第一次测试的碰撞角度相似，但在物理测试和仿真中都出现了明显的挤压，产生的挤压力使滑车受控停止。”Coles 强调说，“这与前一个例子有明显的吸能差异，渐进式挤压产生的持续阻力导致整个事件中的反作用力增加。”

试验性滑车测试显示了复杂锥体结构的挤压情况，断裂发生在远离挤压前沿的地方（图片来源：Engenuity Ltd. ）

“如果没有 CZone 来准确预测挤压力，就不可能设计出过渡区结构中的材料铺层来承受这些冲击。”Coles 补充道。

试验结果

CZone 技术证明了其与汽车碰撞结构的物理测试具有高度的相关性。“通过结合测量的挤压应力特性，CZone 能够准确模拟复合材料结构与冲击体之间的挤压响应。”Coles 强调说，“对各种复合材料碰撞结构和载荷工况的广泛测试表明，仿真结果与试验测试数据之间具有很强的相关性。”

这种相关性可以有效地预测挤压响应，并能够准确预测不直接位于挤压前沿区域的破损和失效。将 CZone 技术集成到 Abaqus/Explicit FEA 软件中，为设计具有严格耐撞性和吸能要求的大型复合材料结构作出了重大贡献。“随着各行各业越来越依赖分析和仿真工具进行设计优化，CZone 技术为开发此类汽车结构提供了宝贵的洞见。”Coles 总结道。