该技术将使用几种不同复合材料制造技术制造的各种碳纤维增强塑料（CFRP）部件与高强度金属结合在一起，形成混合（混合结构）车身结构。

　　图1.BMW 7（G11/G12）系列车辆的车身结构，采用混合材料结构，C柱支架，由再生碳纤维板模塑复合材料（C-SMC）制成

　　碳纤维（C-SMC）片状模塑复合材料是一种能够满足以上需求的技术，可提供较高的设计自由度，用来生产作为增强元件的薄壁壳体部件。对于壁厚特别大的部件，在约束状态再次对其进行加热（退火），以便消除由于完全硬化和局部残余应力引起的后收缩，如图2所示。其中描述的制造工艺已经用于玻璃纤维增强SMC（G-SMC）几十年。尽管如此，仍然没有经过验证的商用软件工具可以虚拟地再现压制过程。对于G-SMC，工业部件生产仍然是一个试错过程。目前还没有标准化测试来确定所需的材料参数，高纤维体积分数C-SMC的流动行为几乎没有得到研究，这意味着材料模型尚未得到充分验证。除此之外，还需要集成仿真，即虚拟生产（过程仿真）和虚拟测试（结构仿真）的连接。

　　图3.C-SMC压缩成型模拟的现有技术方法和假设：（a）纯剪切流模型（b）纯拉伸流模型（c）三层模型（具有流体动力壁面摩擦的拉伸流）（d）纤维取向分布

　　纤维取向分布的建模和可视化：为了实现局部三维纤维取向分布的建模和可视化，使用了经典的三维二阶张量公式，如图3（d）所示。纤维取向张量A的随时间变化可通过A的演化方程来描述。还需要考虑压缩成型装料中初始纤维取向，在宝马Z22的车门面板上，在两个平坦区域也实现了非常好的匹配。

　　软件解决方案：流行为模拟。对于SMC压缩成型的模拟，建模方法到目前为止仅在少数程序中实施，如表1所示。Moldex3D和Moldflow是两种商业解决方案，可以考虑在全3D中对SMC材料进行压缩成型。作为其PAM-COMPOSITES软件套件的一部分，ESI集团最近引入了一个用于2.5D SMC压缩成型模拟的新模块。ESI于2017年与东丽工程公司合作，还提供了3D TIMON-Composite PRESS，这是一种计算成本更高的SMC压缩成型3D模拟解决方案，在这种方法中，纤维束被离散地建模为杆/桁架单元（无弯曲）。对于所有上述软件解决方案，流动行为的定量预测仍然是一个主要挑战。

　　软件综合解决方案：SMC模拟中最常见的集成方法是将压缩成型模拟与刚度或结构分析相结合，将纤维取向的传递作为最重要的过程变量。一些研究中使用Hele-Shaw模型在EXPRESS中进行了模具填充分析，然后在ABAQUS中进行了线性、正交各向异性刚度分析。还有研究中使用Moldflow和Herschel-Bulkley模型进行了填充模拟，使用MATLAB脚本传输纤维取向并生成弹性特性。然后在NASTRAN中进行刚度分析。ESI集团的PAM-复合材料套件还将2.5D SMC压缩成型分析集成到其集成收缩和变形计算工具中。在目前的研究中，填充模拟和翘曲分析都在ABAQUS中实现，由ANSA开发的数据接口模块连接，在C-SMC虚拟处理链的不同阶段提供必要的数据创建工具，如图4所示。

　　材料和试验方法：图5概述了论文中研究的材料，以及上文讨论的观察到的微观结构和理想形态。在形态方面，这三种材料非常不同，涵盖了目前市场上可以找到的一些类型的高纤维体积分数C-SMC材料。单向连续纤维增强C-SMC预浸材料（AMC8595）用作参考，因为纤维取向定义明确，并且由与AMC8590和HUP-REC相同的聚合物基体组成。为了表征材料的流动特性，使用图6中所示具备力/位移/压力传感器读数功能的压力机。在图6（a）中，利用了压力机流变仪，可以在保持恒定压力机面积的同时研究C-SMC的压缩行为。在图6（b）中，测试100×100mm矩形坯料，并检查平面内流动行为。

　　图5.AMC8590/95和HUP-REC C-SMC材料的材料描述、性能和形态

　　图6.（a）恒定面积（b）恒定质量压力流变仪测试装置及其测试前后的相应试样几何形状的示意图

　　流变学和局部流动特性的表征：图7 （a）和（b）分别显示了AMC8590和HUP-REC在三种不同关闭速度（0.5 mm/s、1.5 mm/s、3 mm/s）下，压力流变仪（配置1）测试中的压力与板关闭距离的关系曲线和HUP-REC的曲线形状非常不同。对于HUP-REC，对于相同层数，与闭合速度（应变率）无关，在大致相同的闭合位置（3.5和7 mm）出现明显的局部力最大值。通过观察材料的形态可以给出一个解释，如图5所示。在压缩结束时，在所有情况下，力都会强烈增加。对于AMC8590，在所有情况下，随着关闭距离的减小，力持续增加。在3 mm/s关闭速度下的两个压力传感器图如图7（c）和（d）所示。与AMC8590材料相比，HUP-REC中单个压力曲线的可变性更高，这表明AMC859材料中的材料均匀性更好，见图7（c）和（d）。在试验的另一种变化中，将热电偶放置在某些层之间，以观察C-SMC材料堆与压制时间相比的温升。图7（e）和图7（f）示出了两种压制速度下两种材料（AMC8590使用6层，HUP-REC使用8层）的相应材料堆温升。

　　图7.（a）具有3层和6层材料的AMC8590（b）具有4层和8层材料的HUP-REC（c）压力传感器曲线L（d）压力传感器线 mm/s时3 mm力和温度（T1和T2）随时间的变化（f）HUP-REC 8L在3.0 mm/s下3 mm力和时间的温度（T1与T2）

　　图8.（a）-（c）AMC8590和（d）-（f）HUP-REC在压制速度为0.5和3 mms-1（100 mm×100 mm堆叠）时的压制力和流动前沿曲线的验证以及实验和模拟之间的流动前沿曲线 （b）和（c）以及图8 （e）和（f）示出了来自两种材料的实验结果，这两种材料在两种不同的压力关闭速度下，通过压力流变仪实验，来验证材料模型。图像说明了不同压力关闭距离下流动前沿的演变：图像中间的虚线方块显示了初始堆栈位置，试样上的箭头表示模压方向，图像中的虚线显示了相应参数集的三个实验流动前沿的样本边界的平均值，实线表示模拟模型的预测。

　　2.3材料模型压力流变仪实验的数据可用于计算压缩成型过程中C-SMC材料的应力响应，其中总应变ε是弹性应变和塑性应变之和。分段线性弹性模型，该模型可以再现非线性，目前已在LS-DYNA®中实现为用户定义的材料模型。

　　图7 （a）和（b）中所示的测量压力，图8 （c）和（d）中显示了两种材料和所有闭合速度的大小。图9（a）显示出了用于与实验结果进行比较的仿线（b）显示了为HUP-REC开发的材料模型中不同应变率定义的有效塑性变形应力-应变曲线 （c）和（d）显示了两种材料在所有三种压制速度下的模拟和实验应力-应变曲线 （d）还显示了AMC8590最初无摩擦（µ=0）的预测应力-应变曲线的结果，以及通过实施压力相关摩擦的预测改进。

　　图9.（a）使用恒定面积压力流变仪测试设置的材料模型校准和验证（b）为HUP-REC定义的应变率相关有效应力-应变曲线和预测的有效应力–应变曲线（c）HUP-REC和（d）AMC8590。

　　图9 （a）和（d）显示了0.5和3 mm/s下的压力和流动前沿进展的结果。对于AMC8590，可以在图9 （b）和（c）中观察到，在0.5和3 mm/s的速度下，模拟中的流动前沿落后于实验中的流动前端。对于HUP-REC，两种速度下的弹性范围（即低压实度）预测非常准确，见图8（d）。图8（e）和（f）显示了HUP-REC在三种不同压板闭合距离和两种速度下的模拟和实验之间的流动前沿曲线的直接比较。当纤维随机定向（各向同性）到流动方向时，流动受到限制，而当平行于流动方向定向时，流动较少受到限制。

　　2.4虚拟工艺链的评估：C柱支撑上文所述宝马7系（G11/G12）C柱支架的增强工艺和零件设计。对两种C-SMC装料结构进行了压缩成型模拟，评估了它们的流动前沿和填充行为以及压力响应，并与实验进行了比较。基于模拟的局部刚度，还可以进行模拟翘曲预测，并与使用3D光学计量（GOM-ATOS系统）的实验测量进行比较。

　　流动前沿轮廓和焊缝预测：图10（a）显示了AMC8590在装料变化中实验和冲压模拟短射轮廓之间的比较，其中材料覆盖模具的大部分。在前两个闭合距离处，模拟和实验似乎彼此非常一致。

　　压力曲线（c）和（d）中显示了两种材料和两种装料布局配置的力-位移曲线的比较。通过模拟，可以对大约1.5 mm的模具闭合距离进行良好的压力预测。低于此值时，模拟中的力不会进一步增加华体会hth登录入口。其原因可归因于模拟软件中的接触算法，该算法在很高的局部压力下容易失效。机械性能预测：假设线性正交各向异性材料模型，需要12个参数（E11、E22、E33、v12、v13、v23、G12、G13、G23、α1、α2、α3）。此外，为了能够在零件的不同区域局部预测这些参数，还需要材料应变和每个单独参数之间的关系。为了能够将纤维取向测量值与模拟中相同位置的预测值进行比较，开发了一个MATLAB工具，允许将纤维取向测量数据传输到FE网格上。输出量是主光纤取向的归一化矢量和定义这些矢量大小（长度）的各向异性因子。

　　图11.（a）生成有限元测量数据的方法，用于比较（b）HUP-REC和（c）AMC8590的实验和模拟之间的局部零件刚度模量以及结果评估。

　　部件翘曲预测：图12显示了HUP-REC（V14-V16）和AMC8590（V41-V43）的模拟翘曲预测进行比较的测量选择。进行了模拟参数敏感性研究，以研究某些模型参数对翘曲预测的影响。

　　图12.使用表面比较和来自GOM Atos测量的13个评估点以及（a）AMC8590（V41-V43）和（b）HUP-REC（V14-V16）的最佳匹配模拟变量，评估由于零件冷却（翘曲）引起的部件变形。

　　论文重点介绍了碳纤维板模塑料（C-SMC）零件的三维虚拟工艺链（VPC）开发。

　　VPC由两个模块组成，用于处理由两种不同高纤维体积分数C-SMC材料制成的零件的压缩成型和翘曲模拟。

　　压力机模拟模块在ABAQUS/Explicit中提供的耦合欧拉-拉格朗日（CEL）模拟框架内应用固体力学材料建模方法。

　　通过流动特性实验和数值模拟的结合，可以从数值模拟的局部流动应变预测局部机械性能和纤维取向信息。在ABAQUS/标准中开发了翘曲模拟模块，并在ANSA中实现了数据处理/传输接口。使用这些高度集成的数值工具，可以预测和分析工艺特性，如压力、流动前沿和基于材料量、几何形状和模具中的放置位置等因素的影响。

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