LS-DYNA最新技术 – 热塑性材料成型模拟

■势流科技 / 陈见宏

前言

高分子复合材料依照其基材的化学特性,分为热固性与 热塑性两种,传统的热固性材料往往生产周期较长, 生产成本也较高,但随着目前国内外环境的变化与环保 意识抬头,热塑性材料变成是全世界复合材料发展的趋势,具有密度低、强度高、耐疲劳性好、可再回收、加工速度快等优势,已被广泛的运用在各个领域,包括医疗、体育、汽车、航空、军事、电子等行业,渐渐地取代热固性的复合材料。

汽车产业中的使用

汽车制造商目前逐步将某些零部件的材料改为长纤维增强热塑性材料(long fiber reinforced plastics, FRTP),除可达到轻量化的效果外,同时也能满足安全性能上的要求。在汽车零部件的制造中,最常使用的就是冲压成型 的工法,以其工法制成的零件佔整体零件40%以上, 可见冲压技术在汽车工业地位佔了相当重要的位置,然 而,就目前仿真(CAE)的技术上,并没有针对这方面 的议题,有太深入的探讨。因此,2017年LSTC公司(Livemore Software Technology Corp.) 在其下产品 LS-DYNA,开发了一个针对长纤维增强热塑料冲压成 型的模拟技术。

模拟技术

在模型的建构上,长纤维由梁元素(beam element)组 成,聚合物(martix)则透过四面实体元素(tetrahedral solid element) 建立,在透过耦合 (*CONSTRAINED_ BEAM_IN_SOLID,CBIS) 的方式,完整地将复合材料呈 现,同时透过 EFG(Element Free Galerkin) 演算法, 模拟元件成型时,会造成严重的变形,甚至破坏的状 况,过往这种破坏性的仿真,最担心的问题就是分析时间过长,但透过这个建模方式,可大幅缩减元素的总量,同时利用自适应网格 (adaptive mesh) 的 功能,针对局部区域做细化,再加上MPP平行处理 (Massively Parallel Processing),可在有限的分析时 间内,取得高精确度的模拟结果。
CBIS其实是从(*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_ SOLID)这张卡片衍生来的,为了规避CTYPE=2在 使用上,其速度与加速度的限制,最早是运用在建 筑业,为了模拟钢筋与混凝土而开发的,这边套用 在长纤维增强热塑性材料上,CBIS有一个新的耦合 选项 (CDIR=1),让梁元素仅能在其法线方向 (normal direction)释放约束,也同时考虑了长纤维与聚合物 之间的键结 (bonding) 状态,透过 AXFOR 这个子选 项来进行控制,(首图)为CBIS中可使用的三个物理 行为。

EFG求解器是在2001时,於LS-DYNA 970版本中才推出的,后续在971版本中结合自适应网格划分的功 能,在某些物理变动较剧烈的区域,网格自动密集, 而在物理变动平缓的地方,网格可相对稀疏,目的就 是希望可以应用于金属素性成型的模拟,例如锻造、 挤压、冷成型、金属切削、铆接等,同时与支援热固耦合 (thermal-structural coupling),可用来探讨热 在制造上会遇到的问题,(图1)就是使用此方法进行 锻造试验。

图 1:使用 EFG 求解器模拟锻造试验

导入产品

(图2)是一个FRTP 冲压件的模型,内含有2D随机 方向的长纤维热塑性材料,针对此元件进行冲压模 拟,整个模型如 ( 图 3) 所示,冲头 (Punch) 为 15mm 高且带有横肋(cross-rib)形状的模具。

在制造的过程中,长纤维热塑性材料将被加热超过聚 合物的熔化温度,再做压缩成型,分析结果会观察到 纤维在半流质(semi- liquid)的聚合物中滑动。

图 2:分析模型尺寸,左侧为聚合物,右侧是长纤维材料

图 3 : 成型模具尺寸,包含上下模具 (Punch & Die) 与胚料

图 4 : FRTP 于冲压成型中的变形状态,左侧为聚合物,右侧是⻑纤维材料

图 5:胚料与冲头横肋的成型状态

验证比对

该产品是使用长玻璃纤维增强热塑性材料(GFRTP), 以及其冲压模具,如(图6)所示。与模拟所设定的模 型完全相同。
从实验的前段来看,元件边缘会有皱褶(wrinkles)的 状况,分析中也同样有这个状态出现,如(图7)。 而在冲压的后期,从结合线发生的位置来看,与模拟 出来的结果一致,如(图8)。最终成型的形状与大小, 与分析结果是一样的,如(图9)所示。

透过模拟试验,除了可以得到上述元件的外型状况 外,也提供许多有价值的数据:
– 成型所需的时间
– 纤维的取向和变形
– 纤维的轴向力
– 残留应力、应变的状态与区域
– 纤维体积的分布状况
– 后加工反应力 – 传热和温度分布状态

图 6:长玻璃纤维增强热塑性材料 (GFRTP) 与冲压成型的上、下模具

图 7:热塑性材料边缘皱褶的状况

图 8:元件中肋的成型状况

图 9:成品的⽐对

结论

热塑性材料是当前最有潜力发展轻量化、绿色环保的 材料之一,虽然其具备各项优势,但在生产与应用上 仍存在许多问题,但透过LS-DYNA提供最先进的模 拟技术,可直接导入产品设计阶段,提前避免制造时 可能发生的问题,减少模具设计与制造上的成本,进 而提升生产效率,再开创热塑性材料产品时,在市场 上获得更大的领先与优势。

未来与展望

LSTC 的计算与多尺度力学研发团队 (Computational and Multiscale Mechanics Group) [https://www.lstccmmg.org] 并不以目前的EFG求解器及其计算时间 自满,正积极开发 SPG 演算法 ( Smoothed Particle Galerkin method),预计能持续缩短运算的时间,同 时可以更精确地去模拟材料的裂痕、破坏及失效的状 况,并运用在各个领域上。

感谢

非常感谢LSTC的吴政唐博士针对复合材料的模拟, 提供此求解方法,还要感谢ASANO Co.,Ltd公司协 助进行GFRTP的实验测试。

公司介绍-势流科技

为台湾 LS-DYNA 的最大代理商,成立於 1997 年,这 22年来,势流始终致力於将CAE工具的应用推展至 各个行业,协助设计工程师模拟各种产品在设计、制 造上可能面临的问题,相较於完成产品原型后才去进 行各项测试,利用CAE工具可大幅缩短时间并节省成 本,未来更希望与品质工程做链接,包括最佳化设计、 可靠度设计、六标準差设计等领域,相信以我们丰富 的产业经验,可以成为您研发设计的最佳伙伴。

作者简介

陈见宏 (Gary Chen) 势流科技 专案经理
专长:10年CAE应用经验,500件以上电子产品成功
案例分析:结构、机构、制造与最佳化分析技术导入 CAE软体二次开发
资料来源 Shinya Hayashi, Hao Chen, Wei Hu; “Development Of New Simulation Technology For Compression Molding Of Long Fiber Reinforced Plastics”, 21st International Conference on Composite Materials, Xi’an, 2017 ■

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