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Digimat:非线性多尺度材料和结构物建模平台
DIGIMAT是由e-Xstream engineering研发的专注于复合材料性能模拟的软件,为整合模流分析与结构分析以及获取通用有限元分析所必须的复合材料参数提供了一整套的解决方案。DIGIMAT非线性、多尺度的复合材料模拟平台,通过基体和纤维的材料特性,以及它们之间的微观结构(纤维形状、方向和含量等)获得复合材料的特性,如应力-应变曲线(图1)、工程常数(图2)、刚度或柔度以及热膨胀系数等。
近年来,电脑模拟仿真技术应用越来越广泛,为企业缩短产品开发周期、提升产品品质提供了极大的帮助。机械、汽车和航空航天等领域的结构有限元分析,以及模具行业的模流分析等已深入人心。同时,随着轻量化、高品质化的需求,传统的金属材料已不能满足要求,增强塑料及复合材料的应用变得不可或缺,这就对采用这些材料的结构有限元分析提出了新的挑战。比如,如何将增强塑料件的模流分析和结构有限元分析整合以及如何获取复合材料件的材料参数,提高CAE分析的置信度,真正实现增强塑料件和复合材料结构的有限元分析,而这些新的挑战是采用传统CAE技术很难完成的。通过整合数字化材料样机DIGIMAT材料模型与传统CAE可以很好地解决这一系列难题。
Digimat的应用
2.Digimat在汽车行业上的应用
1.Digimat在增强塑料上的应用
增强塑料是含有增强材料的塑料,是一种高分子复合材料。增强塑料的性能由基体性能、增强材料性能、增强材料的体积百分比以及增强材料的形状和实验条件等共同决定。以增强塑料件为例,结构性能在很大程度上取决于纤维的方向,如进浇口(gate)位置的不同,会极大地影响结构的应力分布,而工艺的影响也不可忽略,如图3所示。
汽车行业是一个高速发展的行业,其竞争也日趋激烈,在这种情况下,新产品推出的速度也越来越快,这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障,可以为企业带来巨大的技术经济效益。由于复合材料的高性能、低成本等优越性能,汽车部件越来越广泛地采用复合材料,这也对CAE模拟技术提出了新的挑战,因为传统CAE中的材料模型通常不考虑纤维取向等因素,这会给计算机仿真带来较大的误差。

图5是采用DIGIMAT材料模型整合有限元技术在汽车保险杠模态分析结果与实验比较。从图中可知,采用DIGIMAT材料模型与实验结果误差在5%以内,这是因为DIGIMAT材料模型可以考虑纤维取向、体积百分比等对其影响,准确地反映出复合材料真实结构形态。
图4是纤维取向对其增强塑料在两方向拉伸模量的影响,并比较了实验结果与DIGIMAT计算结果,对比后发现,采用DIGIMAT估计值与实验值约低5%,在误差允许范围内,这样可以在保证材 料性能的基础上大幅度降低成本。
4.Digimat在纳米复合材料中的应用
3.Digimat在3C行业中的应用
纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大(1~100nm)复合而成的材料。这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或兼而有之,也可以是有机物、无机物或二者兼而有之。

由于纳米颗粒的分布状态及其尺寸的复杂性,采用传统CAE 技术很难实现对其精确模型。图7是采用DIGIMAT材料模型计算的纳米复合材料导电率。从图中可知,只有当碳纳米管增加到一定程度时,整个材料才会导电,这为实验设计提供了有力的参考依据。
3C材料一般采用工程塑料,若想准确地预测材料的机械性能、热学性能等对于传统CAE而言是相当困难的,整合CAT技术与DIGTMAT材料模型,可轻易解决这一难题。

图6是某手机制造商手机跌落实验与计算机仿真结果比较。 从图中可知,采用均质材料很难模拟手机小部件的破碎,而采用 DIGIMAT材料模型可以将实验结果精确再现,这为提高研发速度 提供了有力的保障。
Digimat的模块
1.DIGIMAT-MF
2.DIGIMAT-FE

Digimat-MF 是 Digimat 中的平均场均匀化模块,能够定义本地材料行为与以下材料行为的关系:

  • 基体相与内含物相
  • 复合微观结构形态(内含物的重量、形状及尺寸)。


Digimat-MF 是一款用户友好的微机电材料建模软件,用户可按树形数据结构的引导,输入各个相的材料行为、微观结构描述以及作用于多相材料的加载。

Digimat-FE 用于生成各种材料微观结构(塑料、橡胶、金属及石墨等)的实际表征体积元(RVE)Digimat-FE 可描述复合材料的微观结构及其组分的材料特性,以便生成复合材料的实际表征体积元的 FE 模型。


Digimat-FE 使用 Abaqus/CAE 来生成微观结构网格和真实有限元模型,然后用 Abaqus/Standard 进行解算。模型后处理在 Abaqus/CAE 和 DIGIMAT 中完成。
3.DIGIMAT-MX
4.DIGIMAT-CAE
Digimat-MX 是一个复合材料数据库,可提供不同应变率、温度等情况下的实验数据。它包含各种 Digimat 材料文件,这些材料文件是根据实验数据进行逆向设计生成的。该软件显然有助于在相关方之间或者仅在公司内部实现数据共享。它提供了进行参数识别的优化工具,并可针对整个材料范围轻松而高效地逆向设计 Digimat 材料模型。
Digimat-CAE 使您能够集成 Digimat 及以下制造工具:
  • 3D Timon
  • Autodesk Moldflow Insight
  • Moldex3D
  • REM3D
  • SigmaSoft
  • Simulayt

Digimat-CAE 还能够让您集成 Digimat 及以下仿真工具:
  • Abaqus/CAE, Standard & Explicit
  • ANSYS Mechanical
  • LS-DYNA, Implicit & Explicit
  • Marc
  • MSC Nastran SOL400
  • Optistruct
  • PAM-CRASH
  • RADIOSS
  • SAMCEF-Mecano-Mecano
5.DIGIMAT-MAP
6.DIGIMAT-HC
Digimat-MAP 是一款三维映射软件,用于将纤维定向、残余应力及温度数据从注塑成型网格变换到最优结构有限元分析网格Digimat-MAP 已充分整合到 DIGIMAT 的多尺度建模过程中。Digimat-MAP 是一款精确高效、灵活可靠的软件工具,用于在不同的注塑成型网格与结构分写网格之间变换纤维定向、残余应力及温度数据,这些数据用于 Digimat-MF 与有限元分析的接口(ANSYS、LS-DYNA、Abaqus、PAM-CRASH 及 SAMCEF 等),可执行最先进的非线性多尺度分析。
Digimat-HC是一款用于夹层板的弯曲及平面剪切试验的多尺度建模工具。它是简便全面、精确灵活的软件工具。Digimat-HC 考虑了微观结构对夹层板的夹心材料及表面材料的影响:

  • 对于蜂窝状夹芯材料,Digimat-HC 可根据蜂窝单元晶格的几何形状来计算均匀化特性。
  • 对于表面材料也同样适用。表面材料由给定方向、厚度的若干层板按给定顺序堆积而成。每一层板可在宏观或微观层面进行定义。


蜂窝夹层板虚拟试验解决方案,根据蜂窝基本参数预报蜂窝性能并通过有限元方法预报蜂窝夹层板的三点弯、四点弯和面内剪切试验结果。

7.DIGIMAT-RP
8.DIGIMAT-VA
复合材料许用值虚拟实验平台,能够根据基本的单层材料数据,快速、批量的生成随机的高精度虚拟实验计算模型,并能够根据批量计算结果统计许用值的A基准和B基准。
改性塑料结构分析整体解决方案,能够快速实现从工艺仿真到有限元计算的整个过程。
Digimat的功能
1.支持多种材料、多种性能和多种CAE分析技术的整体解决方案包含平均场方法和RVE建模方法两种多尺度建模技术。
2.通过多种虚拟加载过程,预报材料的相关行为。
4.针对铺层复材试件,利用地毯图探索设计空间来选择正确的铺层。
3.包含上百种材料牌号的材料模型库,方便结构分析人员直接获取材料模型。
5.支持大多数种类的复合材料,包括层合板、改性塑料、颗粒增强材料、金属或陶瓷基复合材料、编织材料、纳米材料及蜂窝材料。
6.根据输入材料实验的数据,完成材料本构弹塑性与失效参数的自动逆向。
7.支持多相夹杂、多层分布等复杂材料微观结构。
8.支持多种材料非线性,考虑温度及应变率对材料性能的影响。
10.计算材料受到拉伸与压缩的不同刚度与失效特性。
9.支持失效、损伤、蠕变以及疲劳分析。
11.与大多数工艺仿真软件和结构有限元软件具有接口。
Digimat的优势
1.通过高质量的材料模型提升仿真预报精度。
2.基于实验数据轻松表征复合材料的复杂本构模型。
4.材料模型库使结构设计人员更容易获得准确的材料模型,从而减少了材料模型质量导致的误差。
3.在工艺仿真与结构计算间建立桥梁,从而使结构仿真更加精确。
5.通过更快更好地计算材料特性来减少材料测试与打样。
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