外文翻译--多尺度模拟复合材料和结构与DIGIMAT ANSYS

毕业设计外文资料翻译 设计题目 :手机前盖冲压工艺分析及级进模设计 译文 题目 : 注塑模具 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 正文： 外文资料翻译译文 附件： 外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日 正文：外文资料翻译译文 多尺度模拟复合材料和结构与 件版本 009 年 2 月 ,程 ,2009 年版权 料 ： 工程塑料、 增强塑料 术 ： 析数据映射图 。 术 。 分析软件： 行业： 材料供应商、汽车、航空、消费者和工业产品。 法律通告 ： 程 是 程的注册商标。 其他产品及公司名称和商标的商标 权 或注册商标 权归 他们的各自的主人 所有 。 概要 在这篇文章中 , 简要的 介绍两个尺度的建模方法 ，平均场均化处理和有限元同化 方法， 在进行建模时，这些强大的技术用与微观和宏观的应力和应变场 ,可以通过影响 (改变 )材料 内部 微观组织来控制材料在宏观上表现出来的 性能 (例如：纤维取向、纤维含量、纤维长度，等等 ) 。 说明这些技巧 , 我们 目前的状况是：（一） 应用有限元分析均到纳米二氧化钛 ； (二 )研究了注入玻璃纤维增强塑料霓虹灯扣使用有限元计算的宏观尺度结合 中值场 均在微 观的 尺度 上 。 多尺度建模：简介 作为一种激励 人心的例子 , 让我们来看一个由短玻璃纤维加固的热塑性聚合物塑料部件。 作为典型的注塑生产过程，这种分布于成品内部的纤维将毫无疑问的会在走向和长度上发生普遍的改变。 看图（ 1）， 该复合材料 同时呈现各向异性与非均质性， 这使它极难得 到一个可靠准确的产品模拟，因为所利用经典的方法是基于宏观的本构模型。 然而，通过多尺度的方法使预测模拟成为可能 ,这种预测模拟可以把这种复合材料用相当简单的方式进行描述，如图： 图（ 1） ： 在注射玻璃纤维增强塑料后的离合器踏板中的纤维取向分布图 （有罗地亚公司和特瑞 堡 集团提供） 此图 让我们研究学习了异构实体的显微组织组成的矩阵资料并且这些所谓的“夹杂物”可以是短纤维、小片晶体、颗粒、微小孔或微裂纹。 我们的目标是根据它的显微结构，模拟预测产品在施加载荷和增加边界条件 （ 下所产生的变化和影响。 我们能区分出两种 尺度 ,分别是微观层次和宏观层次。 这个模型在微观结构尺度上与异质性质相符 ,然而从宏观尺度上看，可以认为是局部均匀的。如图： 图（ 2） ：在实践中 ,解决力学问题时的计算不可能停留在微尺度层面上。因此 ,我们考虑的是宏观尺度 ， 并且假设每个质点是大量代表性 的等效体积单元 (中心 ,这些质点包含潜在的异质性的微观结构。 经典的固体力学是进行宏观尺度分析的 ,只可惜在计算每个点后，应力、应变值像 边界条件 传送到潜伏的 等效体积单元 一样被传送了。 换句话说 :每个数值的缩放就被认为是一个宏观点。这样等效 体积 单元的问题都解决了滨 且每个单元都返回应力和刚度的测试值 ,这个方法被用于宏观尺度的计算中。 图 2:多尺度的材料建模的插图，现在唯一的困难在于 这种用二尺度的方法（和更多一般的多尺度的方法）来解决等效体积单元的问题。它可以被等价为一个在经典边界条件作用下的等效体积单元 ,此时宏观上的应变与应力等于所有等效体积单元内部未知的区域内微应变和应力的体积平均值。 在线弹性的条件下 ,运用复合材料的宏观尺度时，涉及到了那两个能给出有效刚度或总体刚度的均值。为了解决这个问题 ,你可以使用等效体积单元有名的有限元方法算法 ,见图 7到 10。该方法的优点是既简 单又非常准确。然而 ,它有两个主要的缺点是 :在计算实际的微结构时网格化分非常困难和在处理非线性问题时占用大量的 算时间 ,比如在模拟计算非弹性材料性能的时候。 另一个完全不同的方法是平均场均质法 ,这种方法是基于应力体积平均值和一个等效体积单元的每个相的应变场之间的假设关系而形成的方法 ;见图 3。 与绝对的有限元方法和其他所有现存的数值转换方法相比 ,平均场均质法（ 仅是最好用的而且在占用 间方面明显是最快的。然而 ，平均场均质法 也有两个缺点 ,一是它无法给出每个相中的详细应变和应力场数值 ,二是局限于夹杂 物的椭球面形状。 图 3:平均场均质法的过程。 (1)局部应变根据宏观应变计算； (2)局部应力根据局部应变和每个相的组织模型来计算； (3)宏观应力根据平均局部应力计算。 一个典型的等效体积单元的例子是 型，已经成功适用于具有相同和对齐尺寸的椭圆形夹杂物的两相复合材料中。该模型假定了，如果等效体积单元是单独存在于一个无限的由实际的基体材料组成的空间中时，每个夹杂物都包含了等效体积单元。边界条件在解决单一的夹杂问题时相当于实际的等效体积单元的基体相应变场体积平均值的计算方法。 单夹杂物分析 问题已经被 一篇标志性论文中解决了，这是平均场均质模型划时代的基石。 图四：原理的 质化的程序 型和其它 平 均场均质模型已经推广到 许多 案例中了 ,如热耦合、两相非直线纤维的复合材料（使用多步骤分步处理的途径）或多相复合材料（使用一个多层次的方法） 。 这个预测已经直接广泛地验证了均场均质模型的有限元模拟和实验结果的校验。 作为一种普遍的结论 ,人们发现在线 (热 )弹性条件下 ,平均场均质可给出有效特性的精确预测值 ,尽管是分布式取向 ,然而在终止近似 值法上取得的进步仍然是受欢迎的。 另外 ,确定平均场均质模型可用于 可用在复合材料每个微结构中像用在机织织物的每根纱线中一样。 一个重要并且仍持续在理论模型和计算方法上努力的在材料或几何非线性领域推广。这种扩展包括一些主要的困难：第一个是线性化 ,在微观尺度上本构方程需要线性化 ,需要微线弹性 二个问题是对所谓的对比资料，即定义每个相中具有均匀瞬时刚度的控制运算符。接下来需要解决的问题是一阶和二阶同化，在一阶均以真正的本构模型计算作为比较材料 ,但不是每个相的应变和应力场的体积平均值。在一 个二阶配方 ,充足的统计信息 ,即每个相的应变和应力场的方差也考要虑进去。 最后 ,非常难的技术难点涉及 希尔的与各向异性的瞬时刚度相关算子比较的张量计算方法。 在多尺度分析耦合有限元方法用于宏观尺度 ,同时 ,确定各高斯点进行了计算 ,无论是在线性或非线性的状态。 这是实践中最可行的方法。见图 5。 图 5： 经典的铁和耦合的有限元 / 法对比。 广泛的验证和验证结果表明 ,平均场均质模型确定可用于实践中存在的非线性问题 ,并且一般情况下可以带来良好的非线性预测值 ,然而在某些情况下工作可以持续提高 精度 (和减少 间与多尺度分析相结合）。 有限元均值处理法 ： 一种纳米复合材料的应用方法 未来材料最有可能的是纳米材料 ,它广泛的为未来各种领域提供新的划时代的应用 ,例如如纳米电子学 ,纳米生物科技和纳米医学等领域。 这样 ,越来越多的精力放在理解和模拟他们的性状上以及得知什么是纳米效应。而目前正在开发的新工具 ,来解决这个工程上的挑战 ,今天有些新工具已经提供给工程师使用。其中 :有限元素均值法应用的最多。 模型聚合物类填料 ,一种典型的纳米效果填料。材料科学家在纳米尺度上，面临一些有关设计和加工的纳米复合尺度的挑战 ,这些新的物理现象 ,从宏观尺度上看是可以忽略不计的。举例来说， 纳米填料均匀的分散在复合基体中，被认为可以改善材料的机械性能 ,然而期望具有导电率的聚和物类和渗透类导热或导电性都需要增加的基础材料。 参见图 6，实现完成一个或其他如今是在材料加工和对其研究方面构成的挑战。 图六 ： 纳米填料的扩散 有限元均值法：它需要进行几何研究并被明确的产生并且是网状的 ,可以准确模拟渗流和集群效应。如图所示 ,介绍了宏观材料质点的弹性力学性能目前在塑料聚合物上的影响。 图 7 给出了两种周期性纳米结构 ,也称为等效体积元素 (这已 经在使用 法。 介绍了聚合类材料参数已经产生最终的几何坐标，聚合材料内含物集中的聚类附近的两个截然不同的地方。体积分数 5%的相位和夹杂物是球形的。 一旦包围 ,这些结构将在等效体积单元中只受单向拉伸条件 ,运用 x， y，z 轴的负向和有限元方法。利用 限元求解器进行求解之后问题就解决了。 图 7:微结构与均匀分布夹杂物 (左 )与群集 (右 )。 结果比较 ： 图 8: 应力分布在夹杂物 (左 )和矩阵 (右 )为随机放置的杂质 图 8 到 10 个说明应力分布矩阵和夹杂物的阶段 ,在这个案例中介绍的是 x 轴单向拉 伸试验测试。由于最近的聚类中心附近的包裹 ,应力集中现象出现。这样 ,可以提高了 30%的拉应力进行了观察 ,对聚类情况 x 轴向单向拉伸加载条件下进行观察 ,见图 10。 图 11 是在等效体积单元中 应力与应变分布和 应变分布和基质材料的相。 观察夹杂的相时候应用了一个明显的更高的应力水平。这种更高的应力集中 ,不会随机或均匀分布内含的夹杂物 ,而且在施加载荷的时候可能会导致脱粘。 图 9:力分布在夹杂物 (左 )和矩阵 (右 )为聚物。 图 10： 2D 等效体积单元的部分观点的群集 (左 )和随机 (右 )。拉应力分布。 图 11: )和 力应变 (右 )分布在等效体积单元的纳米阶段 ,对这两种情况下 ,一个沿 z 轴方向的加载。 在这个低体积分数的内含物中 ,我们看到这类不明显改变其宏观力学性能的资料 ,请参阅表 1。 处在这样一个位置 ,最好的方法是避免纳米夹杂物材料的出现，当试图增加基材的刚度 (基质刚度 = 2195 合纳米填料 (填料刚度 = 7000 有限元法和平均场均值处理法耦合计算 ： 已经应用到一部分的工业中 。 出于许多原因 (制造成本、适应性、加工方法、高强度对抗 ) 注射部分由短的玻璃纤维增 强塑料在我们的日常生活中已经无处不在。 但当它用这样的材料做成的模型 ,能够模拟宏观模型构成的物质模型受到捕捉效应的影响，例如注射过程？答案是否定的 ,因为他们并没有从中捕获的由注塑工艺决定的对纤维的分布方向产生的影响。 下面的例子中 ,它由一个霓虹灯扣受载荷的过程 ,介绍了耦合分析和有限元软件 间的区别。这个过程在图 12 中表现的很清楚 ,并且包括下列步骤： 1、注射成型工艺过程使用 行了数值模拟。现有结果是纤维取向张量 ,将作为输入 构仿真。 2、张量计算的定位可用映射图在准备从注射网格映射到粗糙的结构性冲突的映射工具 (在 )。 3、 这个结构仿真是利用 限元求解加上 尺度的材料建模 ,模具制作的每个整合平均场均值方法进行结构模型。 图 12:耦合分析的过程。 获得 维取向张量作为输入 ,除了材料性能之外还有作为塑料模型采用了 限元模拟。 问题的说明： 这个轻环由四个独立的部分组成 ,见图 13,也显示了不同的零件之间的接触结果。 他们两个都由 30%的玻璃纤 维增强尼龙和 种新型复合材料）注入。他们的注射过程都在 进行了注塑模拟。 滑块和支座组建假设是由钢铁制作的。 关闭的卡环是模拟位移滑而挡住了支持和部分的内部。对称性边界条件来限制也被应用到一半的部分研究。这个目标是为了评价模拟零件表面的平均应力最大值 ,在负载期间 ,比较了利用线性弹性响应模型 ,利用材料的弹性模量进行确定 龙与玻璃纤维和弹塑性模型进行平均场均值法计算的结果。 材料建模 为了模仿在 的型 ,做了以下假设 : 1、 玻璃纤维仍旧在线性弹性的领域。 2、 聚酰胺（尼龙）具有可塑性和线弹性。 3、 纤维的纵横（长度 /直径）比值为30。 参见图 14：拉伸反应的材料模型。 图 13：表述的是霓虹灯扣和四个独立部件之间触体的关系。由 图 14： 龙材料的模型。各向同性案例的拉伸响应 ,固定的纤维取向 (1D)、随机二维定位 (2D)和随机三维定位 (3D)。由 份有限公司提供。 仿真结果 而有限元均值法具有明显的在等效体积单元中准确的应变 /应力场优势，平均场均值 法只能得到微观层面的平均的应力与应变值。 尽管如此 ,它给我们的信息如果我们用宏观的本构模型我们将不能使用这个方法。 同样地 ,在这个基质的相中平均累积塑性应变的可以直接的在塑料部件中去观察可塑性的分布。 最大的塑性变形都可以从外围表面部分观察到。如图 15。 图 15:平均分布于塑性应变积累在基体相的内部和外部的部分。范围 蓝色 )红色 )。由 份有限公司提供。 图 16：线性弹性各向同性反应 (经典的有限元法 )与各向异性非线性 (有限元法和平均场均值法 )的对比。 提高到 21%的不 同是观察应力大小 ,用硬线弹性模型得到更高的应力。 图 16:各向同性弹性钩 (左 )和各向异性非线性模型 (右 )。由 份有限公司提供。 参考书目： 1. M. 异构体的整体性能 艾斯维尔科学出版社， 1993。 2. 莫里，田中具有弹性能量杂质的材料的基质的平均应力金属学报， 1973年 ,571 21 卷。 3. 弹性模量的确定的领域中的相关问题 士， 1226 年，伦敦 :伦敦皇家学会 1957 年 ,第 241 卷， 376 4. 概述聚合物基纳米复合材料的工程应用前景 一卷。 5. 有纳米压痕的纳米硅基的纳米复合材料聚合物概要郭等人强化塑料和复合材料杂志， 2004 年。 附件：外文原文 009 2009 of A. or of In we of on To we i) an of to a of an at F at an As a us a up of a As of in of . be it to a of a on a is a be in a as : in an us a of a of , be or is to of on We to of at be as . 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