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(lái)說(shuō)是一個(gè)難得的良機(jī)，由此可以帶來(lái)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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)