碳纖維復合材料結構分析中的虛擬試件測試

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碳纖維復合材料結構分析中的虛擬試件測試

不斷追求輕量化解決方案，連續碳纖維復合材料在設計上變得更加可行，現在不僅用于航空航天，而且也用于汽車行業。碳纖維增強塑料（CFRP）現在已被集成到車身結構，用于實現高剛度和強度以及輕量化。

連續碳纖維復合材料的材料特性比金屬復雜得多，尤其在失效方面；每個單一部分通常由幾個單向層板疊加而成，且每個都有不同纖維取向，這些都增加了其復雜性。因此，失效發生在板層（基體開裂、纖維斷裂、纖維基質層脫膠）或板層之間，而這些失效機理通過試驗和模擬測試進行驗證。

為了預測復合材料的失效，結合有限元分析（FEA）和非線性微機械材料模型，采用了先進的模擬策略。特別采用了過程失效模型（如MLT）來保證在第一元素失效后的有效性。另外，微觀尺寸的輸入豐富了這些模型。

多層次建模分解了纖維與樹脂之間的宏觀機械狀態，定義了每層失效準則及提供宏觀和微觀的剛度退化。將展示基于微觀機理過程的失效模型如何使虛擬試件測試在結構分析中成為可能。

連續碳纖維復合材料由于具有輕量化的優勢而在汽車零部件上得以廣泛應用，但因其復雜特性又面臨新的設計挑戰，如其失效行為在理想化模擬下的特性不易被獲取。因此，應用于過程失效的微機械模型與漸破壞的結合，不僅可以使人們在成分矩陣或纖維水平方面對復合材料行為有深刻的理解，同時提供了方向選擇性的剛度退化，減少了試驗虛擬測試。

已經在Digimat上安裝了MLT模型，解決了傳統層壓板問題且擴展了更廣泛的先進仿真工具。這些工具以最流行的FE軟件為操作界面，已經成功應用于宏觀損傷描述且將獲取更多的微觀損傷公式，從每層失效準則到組成剛度。

Benoit Bidaine et al. SAE 2014-01-0809.

編譯：陳健