對材料在壓碎失效期間的行為進行建模的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于為具體地但非排他性地在復(fù)合車身部件受沖擊情況下被壓碎的材料的行為建模的方法、裝置和軟件。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強復(fù)合材料、特別是碳纖維復(fù)合材料正成為新汽車及其他車輛設(shè)計的日益重要的部分。復(fù)合材料與其金屬等同物相比，即使是與鋁相比，都是非常輕的，并且復(fù)合材料可以形成為可以與許多焊接金屬沖壓件起到相同作用的復(fù)雜形狀。復(fù)合材料還具有能夠吸收沖擊期間的大量能量的能力，這使得復(fù)合材料對于汽車應(yīng)用、航空應(yīng)用、鐵路應(yīng)用或民用而言是理想的。例如，鋼只能吸收多至20千焦每千克并且鋁吸收大約30千焦每千克，但碳復(fù)合材料可以吸收多至80千焦每千克。
[0003]復(fù)合材料具有這樣良好的能量吸收特性的部分原因在于:除了傳統(tǒng)的失效模式一一例如金屬失效所借助的彎曲和破裂一一之外，復(fù)合材料還具有金屬中所不具有的完全獨立的失效模式。這在本領(lǐng)域中被稱為壓碎失效模式。在這種模式中，被壓碎材料在其已經(jīng)吸收能量之后基本上不具有殘余強度。替代地，復(fù)合材料在其已被壓碎之后轉(zhuǎn)變成非常小的碎片和松散連接的纖維。這也意味著與等同金屬結(jié)構(gòu)中相比需要較小的空間。這是因為在金屬結(jié)構(gòu)中，必須在指定的潰縮區(qū)中設(shè)置空間以容置壓彎的金屬。
[0004]在微觀尺度上，這種材料通過材料的局部分解，通過基體開裂、纖維屈曲和斷裂、摩擦加熱等來吸收能量。在宏觀尺度上觀察，材料基本上通過在連續(xù)基底上的沖擊而被壓碎或消耗，并且原先固結(jié)的材料變成非結(jié)構(gòu)化碎片。
[0005]申請人的較早公報WO2006/003438描述了一種用于使能夠?qū)哂腥缟纤龅膲核槭Ｊ降牟牧线M行準確建模的革命性技術(shù)。這種技術(shù)被稱為CZone (TM) 現(xiàn)在被廣泛地用來設(shè)計汽車及其他車輛的新部件。
[0006]在CZone之前，現(xiàn)有的有限元分析技術(shù)只能通過現(xiàn)有的失效模式來處理復(fù)合材料元件，并且因此將整個元件或共同構(gòu)成層壓件的各個層看作保持它們的完整性直至達到“經(jīng)典的”失效應(yīng)力值為止，隨后元件或每個層在某時被簡單地從分析中刪除。這種方法提供了不準確的結(jié)果，原因在于它沒有反映這些材料實際上如何行為。材料不會突然消失，而是會當它在沖擊表面處轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿∷槠瑫r逐漸地“被消耗”。這種方式還引發(fā)了由非常大的力引起的另一問題，所述非常大的力是在模型(該模型實際上并沒有出現(xiàn)在被建模的實際材料中)中由利用經(jīng)典失效應(yīng)力來使元件失效而產(chǎn)生的。這些力通過模型傳播，并且可能在后備結(jié)構(gòu)中引起意外的(并且不現(xiàn)實的)失效。
[0007]不管CZone技術(shù)的有效性如何，本申請人現(xiàn)已認定存在基本技術(shù)不準確的一些情況并且已經(jīng)發(fā)明一種旨在解決這種問題的改進技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]當從第一方面觀察時，本發(fā)明提供了一種對經(jīng)受與沖擊表面之間的沖擊的結(jié)構(gòu)的抗沖擊性進行計算的方法，該結(jié)構(gòu)包括粘合或緊固至第二部件的第一部件，至少第一部件包括具有壓碎失效模式的材料，該方法包括:
[0009]a)判斷表示第一部件的一部分的有限元件是否正經(jīng)歷表明有限元件將經(jīng)受所述壓碎失效模式的狀況；
[0010]b)在假定所述結(jié)構(gòu)受到以下力的情況下來判斷所述結(jié)構(gòu)的行為:
[0011 ] i)表示所述元件的所述壓碎失效模式的持續(xù)的阻力；以及
[0012]ii)沿趨于使所述第一部件和所述第二部件分開的方向作用
[0013]在所述第一部件和所述第二部件上的另外的力。
[0014]本發(fā)明擴展到數(shù)據(jù)處理裝置，該數(shù)據(jù)處理裝置編程為:通過以下方法來對經(jīng)受與沖擊表面之間的沖擊的結(jié)構(gòu)的抗沖擊性進行計算，該結(jié)構(gòu)包括粘合或緊固至第二部件的第一部件，至少第一部件包括具有壓碎失效模式的材料，該方法包括:
[0015]a)判斷表示第一部件的一部分的有限元件是否正經(jīng)歷表明有限元件將經(jīng)受所述壓碎失效模式的狀況；
[0016]b)在假定所述結(jié)構(gòu)受到以下力的情況下來判斷所述結(jié)構(gòu)的行為:
[0017]i)表示所述元件的所述壓碎失效模式的持續(xù)阻力；以及
[0018]ii)沿趨于使所述第一部件和所述第二部件分離的方向作用
[0019]在所述第一部件和所述第二部件上的另外的力。
[0020]本發(fā)明還擴展到計算機程序，該計算機程序包括以下指令:通過以下方法來對經(jīng)受與沖擊表面之間的沖擊的結(jié)構(gòu)的抗沖擊性進行計算，該結(jié)構(gòu)包括粘合或緊固至第二部件的第一部件，至少第一部件包括具有壓碎失效模式的材料，該方法包括:
[0021]a)判斷表示第一部件的一部分的有限元件是否正經(jīng)歷表明有限元件將經(jīng)受所述壓碎失效模式的狀況；
[0022]b)在假定所述結(jié)構(gòu)受到以下力的情況下來判斷所述結(jié)構(gòu)的行為:
[0023]i)表示所述元件的所述壓碎失效模式的持續(xù)阻力；以及
[0024]ii)沿趨于使所述第一部件和所述第二部件分離的方向作用
[0025]在所述第一部件和所述第二部件上的另外的力。
[0026]本發(fā)明還擴展到帶有所述計算機程序的非暫時性計算機可讀介質(zhì)。
[0027]因此本領(lǐng)域的技術(shù)人員將看到，根據(jù)本發(fā)明，至少在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，在結(jié)構(gòu)包括粘合或緊固在一起的兩個部件以及通過持續(xù)阻力來對壓碎失效建模的情況下，提供趨于使這兩個部件分離的另外的力。該另外的力表示由申請人觀察到的關(guān)于經(jīng)受壓碎失效模式的粘合部件要被通過壓碎產(chǎn)生的碎片強迫分開的趨向，其中，所述碎片是不可完全壓縮的。這表示了對基本CZone技術(shù)的改進，基本CZone技術(shù)沒有對該力建模。它還表示以下認識:雖然整體上壓碎期間產(chǎn)生的細小碎片由于其沒有保持結(jié)構(gòu)完整性而可能被忽略，但是在碎片如上述情形中限制在小的空間中的情況下，碎片確實變得重要。
[0028]表示壓碎失效模式的持續(xù)阻力和/或作用成使第一部件和第二部件分離的另外的力可以利用材料理論來確定?？梢詣討B(tài)地進行必要的計算以作為文中公開的方法的一部分，或者可以提前進行這些必要的計算并且將計算的結(jié)果用于文中公開的方法。然而，在一組實施方式中，上述兩個力各自近似于關(guān)于給定的一組宏觀條件(與沖擊物接觸的面積、速度、沖擊的角度等)的相應(yīng)的單個宏觀值。相應(yīng)的值可因此通過對討論中的材料的小樣品(在本領(lǐng)域中被稱為“試樣”)執(zhí)行測試來以經(jīng)驗的方式獲得，從而其后允許在大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中建模。這種方法的優(yōu)點在于:沒有必要計算或甚至理解壓碎期間起作用的內(nèi)部機理，這些內(nèi)部機理通常是非常復(fù)雜的。例如在纖維復(fù)合材料中，內(nèi)部機理尤其取決于纖維類型和大小、樹脂性能、固化周期以及編織類型。
[0029]在一組實施方式中，另外的力是第一部件與第二部件之間的間距的函數(shù)。至少在給定范圍的間距上，該另外的力可能反比地取決于該間距一一也就是說該力隨著間距的增大而減小。該函數(shù)可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系(例如線性的)來限定或者可以憑經(jīng)驗確定。在該函數(shù)由數(shù)學(xué)關(guān)系限定的情況下，其中的參數(shù)仍然可以憑經(jīng)驗確定。然而，這也不是必需的，這些參數(shù)也可以被分析確定。
[0030]該另外的力可以只是第一部件與第二部件之間的間距的函數(shù)或者也可以取決于其他變量，例如部件的厚度、第一部件和/或第二部件的速度、溫度、沖擊的角度等。
[0031]在一組實施方式中，該另外的力被應(yīng)用為膠黏元件公式的一部分，膠黏元件公式包括膠黏劑強度建模和所述另外的力。然而，這不是必需的。
[0032]該另外的力可以被計算以作為用以確定第一部件與第二部件一一即“粘合部模型”的部件一一之間的粘合部的行為的計算結(jié)果的一部分，但這不是必需的。
[0033]第一部件和第二部件可以例如通過膠黏劑粘合在一起，例如通過螺栓、螺釘、鉚釘?shù)葯C械地緊固在一起，或者可以通過結(jié)構(gòu)或超結(jié)構(gòu)的其他部件簡單地保持在一起。
[0034]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，持續(xù)阻力表示壓碎失效模式。這將在沖擊表面移動越過分配給所述元件的空間時被典型地應(yīng)用并且對應(yīng)于指定給所述元件的材料或?qū)訅杭膲核樾阅軄硎┘幼枇?。這強調(diào)了與傳統(tǒng)有限元建模的區(qū)別，傳統(tǒng)有限元建模將沖擊表面視為無法有效穿透的并且因此不得不在已經(jīng)達到元件的失效應(yīng)力之后刪除該元件，而根據(jù)本發(fā)明，在沖擊表面已經(jīng)侵入到被該元件占據(jù)的空間之后，該元件仍對沖擊表面起作用。從概念上使其可視化的一種方式是元件剩余但仍在其“穿過”障礙物時引起阻力。這樣的情況在常規(guī)的有限元模型中是不可能的。
[0035]沖擊表面可以完全對應(yīng)于引起沖擊的實際物理表面或者其可以包括與障礙物的實際位置具有固定關(guān)系的壓碎前部。
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