復(fù)合材料解決方案
通過模擬計算分析碳鋼纖維復(fù)合材料(CSFRP)的細觀組織和力學性能，并通過實驗驗證了模擬力學性能的可靠性，從而降低了碳鋼纖維復(fù)合材料(CSFRP)的研發(fā)周期和研發(fā)成本。
? 汽車領(lǐng)域一直追求不斷降低油耗和能量消耗，其輕量化已成為趨勢，而碳纖維復(fù)合材料(CFRP)由于其比強度、比模量高的特點，在汽車輕量化過程中有很大的應(yīng)用前景。近年來隨著國際及國內(nèi)碳纖維價格的下降，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用范圍也不斷拓寬。其可作為受力骨架、底盤、車頂、車門、保險杠、輪轂、傳動軸、板簧等，其車種也有高檔跑車到普通轎車、客車和火車等。
? 碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的脆性破壞行為限制了在沖擊（例如工具掉落、輪胎碎片、冰雹撞擊）和碰撞事件的情況下的損傷容限。此外，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)結(jié)構(gòu)的導電性對于某些應(yīng)用來說是不夠的，因此必要的時候需要額外的金屬部件，以提供電氣功能的結(jié)構(gòu)。一種新的解決方法是將高導電性和延展性的連續(xù)金屬纖維摻入碳纖維復(fù)合材料?；舅枷胧墙鉀Q集成金屬纖維的導電性和承載能力，以同時提高復(fù)合材料的導電性和損傷容限。
? 如何對單層材料快速設(shè)計，如何進
行快速鋪層設(shè)計，如何快速、高效的
清楚復(fù)合材料的薄弱點等一系列的復(fù)合材料設(shè)計難點急需一套完整的解決方案。
? 以某汽車復(fù)合材料的研究為案例詳細介紹復(fù)合材料設(shè)計過程中的難點。本案例主要通過模擬計算分析碳鋼纖維復(fù)合材料的細觀組織和力學性能，并通過實驗驗證了模擬力學性能的可靠性，從而降低了碳鋼復(fù)合材料的研發(fā)周期和研發(fā)成本。碳鋼纖維復(fù)合材料的設(shè)計思路：(1)確定基體與增強體的材料與結(jié)構(gòu)；(2)對復(fù)合材料進行建模，初選鋪層順序；(3)對復(fù)合材料模型進行數(shù)字分析，包括幾何分析、力學分析、流動仿真和導電性等分析；(4)通過分析結(jié)果的可視化分析薄弱點，對設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整，直至獲得較優(yōu)的參數(shù)；(5)生產(chǎn)制造樣品，進行試驗，確定最后的設(shè)計參數(shù)與流程。
1.確定材料結(jié)構(gòu)與鋪層順序
CFRP為碳纖維復(fù)合材料。
SFRP為鋼纖維復(fù)合材料。
SCFRP為碳鋼纖維復(fù)合材料。
UD為纖維單向鋪層。
MD為纖維多角度鋪層。
2.建立模型
CFRP UD和SFRP UD元素長度為0.5μm，在X-Y-Z方向上的尺寸為1x200×200。
CFRP MD和SCFRP 10i 0°MD模型代表截面的一半，并且具有相同的尺寸。
3.SCFRP 10i 0°MD力學性能分析
SCFRP 10i 0°MD材料的模擬對該軟件提出了很高的要求，因為材料特性和纖維直徑不同(鋼60μm，碳7μm)。在約1.9%應(yīng)變下，0°層的層壓板失效，導致應(yīng)力-應(yīng)變曲線和層壓板剛度大幅度下降，第一層的剛度和破壞點與實驗吻合得很好。
4.碳鋼纖維復(fù)合材料的可視化
為了了解材料的功能和微觀力學行為，將模型分析結(jié)果可視化，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計薄弱點。
圖1為加載過程的仿真結(jié)果。在1%應(yīng)變時，可以清楚地看到上0°層承載了大部分載荷。當該層在1.8%應(yīng)變下失效時，層內(nèi)的應(yīng)力以及宏觀應(yīng)力顯著下降。
圖2為環(huán)氧樹脂模型應(yīng)力-應(yīng)變對其損傷參數(shù)關(guān)系，損傷參數(shù)為0~1。在1.8%應(yīng)變下，基體損傷主要發(fā)生在±45°和90°范圍。直至應(yīng)變?yōu)?.5%時，基體損傷發(fā)生在所有層中，整個基體幾乎被破損。
