應用預測工具CZone來模擬復合材料的軸向擠壓響應，為復合材料在汽車上的應用提供了有價值的洞見。

用于 CZone 測試的復合材料結構試樣，它模仿了汽車碰撞結構的尺寸和形狀，包括截面的變化、嵌件以及此類結構中常見的通孔特征（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，復合材料在乘用車結構制造中的用量正在增加。一個值得一提的進展是，復合材料的碰撞結構越來越普及，特別是用碳纖維增強聚合物（CFRP）制成的碰撞結構，其每單位質量的吸能性在賽車應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構相比，當擠壓前沿沿長度移動時，承受軸向壓縮力的復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，這些結構通過破損機制有效地耗散能量，從而減輕由此產生的極大的加速度和力。

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

然而，復合材料在擠壓過程中的行為是非常復雜的，涉及纖維與周圍基體之間產生的多種復雜的微交互。此外，準確、方便地分析碰撞下的復合材料行為歷來是一大難題，限制了復合材料結構在道路車輛上的廣泛應用。由于復合材料結構的失效模式復雜，傳統(tǒng)的有限元分析（FEA）工具在精確描述復合材料結構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)濟高效的碰撞結構。

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合材料行為而設計，它使用非線性顯式 FEA 方法來實現(xiàn)這一目標。

“CZone滿足了對復合材料吸能結構進行高級擠壓模擬的迫切需求?！盓ngenuity UK 的技術總監(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)模的碰撞事故中復雜結構的相互作用和穩(wěn)定性進行理解和可靠預測。”

CZone的背景

Coles表示，一直以來，為開發(fā)出可靠的復合材料碰撞仿真工具，F(xiàn)EA領域經(jīng)歷了多重努力?！氨M管使用了 LS-Dyna、PamCrash和Radioss 等程序，但是，在復合材料結構的整個長度上，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測故障的綜合解決方案仍然難以捉摸?！彼f道，“即使是復合材料手冊 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生極具‘爭議'的力結果?！?/p>

“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?！彼^續(xù)說道，“因此，這些方法不適用于預測分析，需要開發(fā)一種新的方案，這促使我們開發(fā)了CZone?！?/p>

CZone 將“擠壓應力”視為是由復合材料表現(xiàn)出的一種獨特的力學性能。當復合材料結構的一段受到?jīng)_擊力時，這種擠壓應力可提供持續(xù)的阻力，該阻力作為車輛 FEA 模型中復合材料碰撞結構其余部分的輸入力。

在Abaqus/Explicit FEA軟件中，CZone 能夠將擠壓應力與已納入Abaqus Damage（用于纖維增強復合材料材料模型）的其他的復合材料失效模式結合起來，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。

在確定擠壓應力力學性能時，Engenuity 在復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構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計的測試夾具，該夾具可用于各種加載設備，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。這些測試生成的材料擠壓值與最終的復合材料部件無關，因此可用于預測任何結構的行為，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合材料構件的長度持續(xù)推進?！盋oles 解釋說，“這需要對層壓材料的行為有深入的了解，以便有效可靠地設計和模擬安全碰撞結構所需的運行物理學?！钡湫偷膹秃喜牧吓鲎步Y構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 軟件中應用的材料特定的擠壓應力值，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。

復合材料抗壓結構設計

在為車輛的碰撞系統(tǒng)開發(fā)復合材料抗壓結構時，必須對材料特性、形狀設計、層壓板厚度、纖維取向和其他關鍵參數(shù)進行全面分析。碰撞結構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°擠壓試驗中的復合材料碰撞結構試樣進行擠壓前、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，它在定義整個復合材料結構的整體行為方面起著最關鍵的作用。”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)?！?/p>

他補充道：“這里的結構設計需要確保碰撞結構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，以確保結構在各種碰撞情景下按預期的運行?！薄氨仨毧紤]發(fā)生在部件擠壓區(qū)內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?！彼ㄗh道，“這涉及模擬面內層壓板的失效和層間分層，以確保結構能夠有效減輕沖擊力?！?/p>

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構的大小和形狀，包括在這種結構中常見的截面變化、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，必須能夠預測遠離碰撞前沿的結構故障?！霸谠O計耐碰撞的復合材料結構時，除了要考慮基本的擠壓前沿之外，考慮結構破損或失效的可能性也至關重要。”Coles說道，“這些區(qū)域的結構破損或失效會破壞結構的吸能性。在突然斷裂的情況下，隨著隨后對結構更大程度的侵入，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生的擠壓力。總共評估了15 種通過CZone設計的不同疊層，計算了預測的擠壓力。測試結果與預測行為密切相關，顯示減速力在10%以內。

此圖顯示了滑車測試期間反作用力與位移的關系，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設計了復合材料錐體，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)后面的結構無法承受不斷增加的載荷并出現(xiàn)失效。施加的力導致結構失效的點與預測值非常吻合，與實際測試相差不到10mm。

分析團隊和CZone的任務是進行最終測試，涉及將錐體設置為與碰撞方向成 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°偏移而設計的錐體。

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

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

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

針對主測試，一個更復雜的錐體結構——類似于以前的結構，但利用CZone作了設計以承受載荷角度，同時還能產生足夠的擠壓力，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，產生的擠壓力使滑車受控停止?！盋oles 強調說，“這與前一個例子有明顯的吸能差異，漸進式擠壓產生的持續(xù)阻力導致整個事件中的反作用力增加?！?/p>

試驗性滑車測試顯示了復雜錐體結構的擠壓情況，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 來準確預測擠壓力，就不可能設計出過渡區(qū)結構中的材料鋪層來承受這些沖擊?！盋oles 補充道。

試驗結果

CZone 技術證明了其與汽車碰撞結構的物理測試具有高度的相關性?！巴ㄟ^結合測量的擠壓應力特性，CZone 能夠準確模擬復合材料結構與沖擊體之間的擠壓響應?！盋oles 強調說，“對各種復合材料碰撞結構和載荷工況的廣泛測試表明，仿真結果與試驗測試數(shù)據(jù)之間具有很強的相關性?！?/p>

這種相關性可以有效地預測擠壓響應，并能夠準確預測不直接位于擠壓前沿區(qū)域的破損和失效。將 CZone 技術集成到 Abaqus/Explicit FEA 軟件中，為設計具有嚴格耐撞性和吸能要求的大型復合材料結構作出了重大貢獻?！半S著各行各業(yè)越來越依賴分析和仿真工具進行設計優(yōu)化，CZone 技術為開發(fā)此類汽車結構提供了寶貴的洞見?！盋oles 總結道。