1、第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言纤维增强复合材料密度一般为0.832.20 g/cm3，复合材料在产品轻量化方面优势显著，在保证产品可靠性基础上，基于纤维增强复合材料注塑而成的塑料零部件与高强度钢及铝合金零部件相比，以塑代钢制品的质量预计可降低 50%以上，以塑代铝制品的质量可降低 40%以上；同时复合材料具有易成型、易集成、结构阻尼大等特点，能有效减少系统零部件数量，衰减振动噪声的传递1-2。纤维增强复合材料因基材内添加
2、玻璃纤维、碳纤维等增强体，材料本身具有各向异性的特点，在注塑零部件过程中纤维随熔料流动，由于其在零部件不同区域的分布方向和密度不同，导致零部件各区域可靠性能差异较大3。因此复合材料零部件可靠性分析需同时考虑材料非线性及注塑工艺，与常规金属材料零部件可靠性分析方法存在显著不同。目前国内外学者对复合材料性能及可靠性进行了大量研究。秦计生等4基于纤维的截面积角度测量方法，估计出试样截面内纤维的根数及每根纤维的截面积，验证了纤维方向与弹性模量的关系；刘颖等5基于 Digimat 软件研究了不同碳纤维含量的增强尼龙复合材料力学性能，得到 PA66CF10材料电池箱体较金属箱体质量轻 84%的结论；蔡力亚
3、等6进行了 15wt%含量玻纤增强 PET 材料注塑成型车身的刚度和模态分析；Kurkin 等7提出了一种短切纤维复合材料在航空领域结构件上强度和刚度多级建模预测方法；蔡连胜等8通过优化注塑浇口位置，验证不同玻纤分布方向对空滤器doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.016基于多尺度联合仿真的复合材料油底壳模态分析高建红，刘伦伦，段良坤，曾超，孙志明（261061 山东省 潍坊市 潍柴动力股份有限公司 内燃机可靠性国家重点实验室）摘要 注塑成型复合材料零部件结构可靠性分析需耦合材料属性及制造工艺，与常规各向同性材料零部件分析方法存在很大差异。通过玻纤增强聚酰胺
4、 66（PA66+GF35%）复合材料应力-应变拉伸试验数据，逆向获得基材PA66 材料属性，并通过供方提供的模流分析结果，提取了油底壳纤维取向张量分布；然后基于多尺度联合仿真对某发动机复合材料油底壳进行了模态分析，并设计试验进行模态测试。结果显示，油底壳前 3 阶模态仿真与测试结果最大误差 8%，满足工程应用精度需求，验证了仿真方法的有效性，为塑料类复合材料零部件替代柴油机金属零部件提供了一种仿真验证方法。关键词 复合材料；多尺度分析；材料属性；模态 中图分类号 U464.13；TB33；TQ342 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0075-04引用格式：高建红
5、，刘伦伦，段良坤，等.基于多尺度联合仿真的复合材料油底壳模态分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):75-78.Modal analysis of composite oil pan based on multi-scale co-simulation GAO Jianhong,LIU Lunlun,DUAN Liangkun,ZENG Chao,SUN Zhiming (State Key Laboratory of Engine Reliability,Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261061,Shandong,China)Abstract
6、Structural reliability analysis approach of injection molded composite parts needs to couple with material properties and manufacturing process,which is quite different from conventional isotropic material parts.The tensile stress and strain experiment data of the glass fiber reinforced polyamide 66
7、(PA66+GF35%)was analyzed,the base material PA66 properties were reversed,and the oil pan fiber orientation tensor distribution was extracted based on mold flow analysis provided by supplier.Then the modal analysis for engine oil pan was carried out by the method of multi-scale analysis,and a modal t
8、esting program was designed.The results showed that the maximum error between the first three order modal simulation results and the test results was within 8%,which met the accuracy requirements of engineering applications and verified the effectiveness of the simulation method.It provides simulati
9、on verification means for the application of plastic composite parts instead of mental parts in diesel engine.Key words composite;multi-scale analysis;material property;modal;test收稿日期：2022-09-1376农业装备与车辆工程 2023 年本体固有频率影响。本文在借鉴国内外复合材料零部件性能研究的基础上，利用材料属性逆向方法，基于少量复合材料特定温度下实际拉伸性能实验数据，分别获取了复合材料基体和增强体材料属性。
10、采用多尺度联合仿真方法，将复合材料零部件注塑工艺、材料非线性耦合至结构性能分析中，实现了复合材料零部件模态指标高精度分析。1 仿真流程介绍基于某发动机复合材料油底壳开发项目，进行了材料本构+模流分析+结构有限元多尺度联合仿真方法研究，仿真流程如图 1 所示。主要思路是通过模流分析软件获取油底壳纤维取向张量分布，基于 Digimat 软件获取复合材料基体及增强体材料属性，并将模流分析获取的纤维取向张量映射到有限元网格，通过 ABAQUS 软件分别调用复合材料属性及纤维分布数据实现油底壳模态分析。利用该方法进行了新开发塑料油底壳模态仿真，如图 2 所示。前 3 阶模态频率仿真与测试结果误差均在 8
11、%以内，验证了仿真方法的有效性。2 多尺度联合仿真2.1 材料模型构建复合材料性能可由各组分材料的性能来预测，如纤维增强复合材料的刚度系数与纤维和基体的弹性常数及相对体积含量有关9：Cij=Fj（Ef，vf，cf，Em，vm，cm）(1)式中：Ef 各向同性纤维的弹性模量；vf 各向同性纤维泊松比；Em基体弹性模量；vm基体的泊松比；cf，cm纤维和机体相对体积含量，%。复合材料在制备过程中除基体和增强体外还会加入少量添加剂（如增塑剂、着色剂、稀释剂等）提高其实用性能，因此仅单独测试基体和增强体材料性能难以准确预测复合材料性能。Digimat-MX模块基于灰箱理论和反求工程，在已知复合材料试样
12、至少 2 个方向拉伸试验数据基础上，可逆向获取增强体外材料的属性10，拉伸试验方向参见图 3。本文选用的复合材料为 PA66+GF35%，在 23 下，0、45、90 方向注塑试样拉伸应力-应变试验结果如图 4 所示。基于 Digimat 软件 MX 模块等效体积单元法RVE（Representative Volume Element）进行材料参数拟合，选择 J2-Plasticity 弹塑性模型作为材料基础本构模型进行材料属性逆向求解，总体误差优化到 2%范围内结束迭代，逆向完成后材料属性如表 1 所示。表 1 2 种组分材料力学性能参数Tab.1 Material performance
13、parameters of two components材料PA66E-glass密度/(g/cm3)1.172.54弹性模量/GPa2.7972屈服强度/MPa29.53 600泊松比0.30.229 0450浇口纤维方向 图 3 拉伸试样方向Fig.3 Tensile orientation of specimens250200150100500应力/MPa0.01 0.02 0.03 0.04应变 0 方向45 方向90 方向 图 4 拉伸试验数据Fig.4 Data of tensile test 图 1 仿真流程Fig.1 Simulation procedure模流分析Digima
14、t 软件纤维分布结果注塑网格文件有限元网格文件Digimat-MAP纤维映射Digimat-MX材料参数逆向Digimat-CAE 生成调用文件复合材料 0、45、903 个纤维方向试样拉伸试验 数据模态分析ABAQUS有限元分析模型、边界条件 图 2 油底壳三维模型Fig.2 Three-dimensional modal of oil pan77第 61 卷第 10 期高建红 等：基于多尺度联合仿真的复合材料油底壳模态分析 2.2 模流分析油底壳长宽高尺寸约为 1 100 mm750 mm560 mm，体积较大结构复杂，模流仿真由供方完成。浇口数量 4 个，采用顺序阀控制，浇口位置如图 5
15、所示。模流分析设置包括选择填充保压翘曲分析序列11，充填时间 7.8 s，保压压力 55 MPa，模具表面温度 60，速度/压力切换由 98%充填体积触发，冷却时间 35 s，模流分析完成获得纤维取向张量云图如图 6 所示。2.3 纤维取向张量映射模流分析网格与 ABAQUS 结构分析网格节点不对应，不能直接用于模态分析，因此需要通过Digimat 软件 MAP 模块，将模流分析中的纤维取向张量结果映射到 ABAQUS 结构网格节点12，如图7 所示，通过调整有限元网格尺寸，保证纤维取向张量各方向映射误差在 5%以内。2.4 油底壳模态分析在 ABAQUS 中分别调取 PA66+GF35%材料
16、参数和纤维张量分布信息，并约束部分油底壳安装螺栓孔进行模态分析13，如图 8 所示。油底壳前 3阶模态结果如表 2 所示。表 2 油底壳约束模态Tab.2 Constraint modal of oil pan阶次 频率/Hz振型图1 阶81.22 阶88.5 3 阶119.93 油底壳模态测试油底壳模态测试需设计固定工装，保证油底壳模态测试状态约束边界与仿真边界一致。油底壳模态测试采用西门子 Scadas 动态测试系统和 LMS分析软件，模态测试设备及工装如图 9 所示。纤维取向张量名义厚度=1.0000.99970.86350.72730.59110.4549 图 6 油底壳纤维取向张量云
17、图Fig.6 Fiber orientation tensor distribution of oil pan映射前注塑网格纤维取向分布映射后结构网格纤维取向分布 0.000 0.250 0.500 0.750 1.00 0.000 0.250 0.500 0.750 1.00 图 7 纤维取向映射云图Fig.7 Fiber orientation tensor map 图 8 油底壳模态约束边界Fig.8 Modal analysis constrained boundaries of oil pan 图 9 模态测试设备及工装Fig.9 Tooling equipment of modal
18、 test油底壳固定工装 图 5 浇口位置Fig.5 Gate locations12341.1231.0290.9360.8420.7480.6550.5610.4680.3740.281 0.187 0.094 0.000U,MagnitudeStep:Step-1-frequence Mode 1:Value=2.60209E+05 Freq=81.186(cycles/time)U,Magnitude1.003 0.920 0.836 0.753 0.669 0.585 0.502 0.418 0.334 0.251 0.167 0.084 0.000Step:Step-1-frequ
19、ence Mode 2:Value=3.08907E+0.5 Freq=88.457(cycles/time)1.019 0.934 0.849 0.764 0.679 0.594 0.509 0.425 0.340 0.255 0.170 0.085 0.000U,MagnitudeStep:Step-1-frequence Mode 3:Value=5.67617E+0.5 Freq=119.91(cycles/time)78农业装备与车辆工程 2023 年模态测试测点布置方案：将油底壳沿长度方向等分为 6 个切面，每个切面布置 4 个测点，共计24 个测点，模态测试采样频率选择 1 02
20、4 Hz，采样间隔 1 Hz 14，模态测试结果如表 3 所示。油底壳模态仿真与测试结果对比如表 4 所示。表 3 油底壳模态测试结果Tab.3 Results of oil pan modal test阶次频率值/Hz振型图1 阶87.6Mode 1:87.6100 Hz,4.98%AMPS2 阶92.5Mode 2:92.4788 Hz,2.24%AMPS3 阶122.5Mode 3:122.4840 Hz,4.29%AMPS 表 4 模态仿真与测试结果Tab.4 Modal simulation and test results阶次仿真值/Hz 测试值/Hz误差/%1 阶 81.2 87
21、.67.92 阶 88.5 92.54.53 阶119.9122.52.1 由表 4 可以看出，油底壳前 3 阶模态仿真与测试误差在 8%范围内，且振型一致，仿真精度满足工程设计要求。4 结语结构轻量化是内燃机实现进一步节能减排、提升产品竞争力的重要途径，塑料类复合材料比强度高，在轻量化方面效果显著，但是由于柴油机本体振动较大，运行工况相对恶劣，目前塑料类复合材料零部件在柴油机上应用占比较少。本文借助某发动机复合材料油底壳开发项目，研究了复合材料零部件材料属性逆向方法，建立了基于模流+Digimat+ABAQUS 的多学科结构模态联合仿真方法，将复合材料零部件注塑工艺、材料非线性耦合至结构模态
22、分析中，实现了油底壳模态仿真误差小于 8%，验证了仿真方法的准确性，为后期复合材料零部件设计开发提供了参考。参考文献1 李光霁,刘新玲.汽车轻量化技术的研究现状综述 J.材料科学与工艺,2020,28(05):47-61.2 明君剑.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状 J.现代制造技术与装备,2020,56(10):146-147.3 李西顺,杨明华,孙正峰.车用塑料件的模流与结构联合仿真分析 J.计算机辅助工程,2017,26(05):17-22.4 秦计生，彭雄奇，申杰，等.考虑纤维方向分布的玻纤增强PP 复合材料拉伸性能 J.复合材料学报,2013,30(04):53-58.5 刘颖，马艺
23、涛，刘强.短切碳纤维增强尼龙复合材料力学性能及在电池箱上的应用 J.复合材料科学与工程,2021(09):46-54.6 蔡力亚,赵克刚,李剑峰,等.短玻纤增强复合材料的性能及其在车身上的应用 J.华南理工大学学报(自然科学版),2020,48(3):108-115,135.7 KURKIN E I,SADYKOVA V O.Application of short fiber reinforced composite materials multilevel model for design of ultra-light aerospace structuresJ.Procedia Engi
24、neering,2017,185:182-189.8 蔡连胜，赵岚宇，朱箴箴，等.耦合玻纤取向的空滤器模态仿真分析 J.噪声与振动控制,2021,41(01):66-70.9 沈观林，胡更开，刘彬.复合材料力学 M.北京:清华大学初版社,2006.10 谭龙检.玻璃纤维增强塑料的前端模块刚度仿真精度研究 D.长沙:湖南大学,2018.11 段家现.基于灰色关联分析的注塑工艺参数优化 J.塑料,2017,46(04):88-92.12 樊凯.纤维增强复合材料车用承载构件结构强度研究D.株洲:湖南工业大学,2016.13 王春凤,邓尧鑫,涂宏海，等.某柴油机油底壳异响问题分析与改进 J.柴油机设计与制造,2021,27(03):29-32.14 商晴,陈振雷.李坚成.某柴油机油底壳振动分析与优化研究J.机电工程,2019,36(09):931-937.作者简介 高建红（1988-），女，硕士，工程师。主要研究方向：新能源车辆零部件性能及可靠性。E-mail：XYZXYZXZ
