奥升德 CAE 专家 Vahid Mortazavian 和 PART Engineering 团队联名刊登了文章“玻纤增强塑料部件疲劳强度评估的简易方法”，阐述了各向同性和各向异性的模拟分析。以下文章来源于![]()
，作者 Vahid Mortazavian, Dr. Marcus Stojek, Sascha Pazour
随着塑料部件在各种技术型应用中的广泛使用，其性能不断优化，可用材料类型也在不断增加，从而满足各种特殊应用场景。应力-寿命曲线 (SN曲线) 作为塑料疲劳的关键测试指标，由于塑料自身特性，比如考虑振动发热和可允许振动载荷频率较低，导致测试耗时长且成本高。各向异性疲劳评估由于纤维取向依赖性而大大增加了所需的测试数据量，使得各向异性SN曲线很难获得。因此，简化方法对疲劳强度评估非常重要，而且通常也是模拟设计的不二选择。Research Partner Motivation奥升德功能材料公司是全球知名的特种材料和化学品生产商，尤其专注于聚酰胺创新。
从传统内燃机向电动汽车的转变给汽车制造商带来了全新挑战，例如电机、变速箱和相关部件高频噪音的出现。虽然传统方法可以有效地抑制300Hz及以下 的噪音和振动，但电动汽车所产生的噪音频率要高出十倍。
为了解决这个问题，一个有效的解决方案是采用塑料替代金属。玻纤增强塑料具备等量强度和刚度，是很有前景的金属替代品。然而，这些材料的机械性能与部件内的玻纤取向密切相关，这是一个重大挑战，尤其是在疲劳耐久评估方面。
本文通过对奥升德功能材料公司新开发的材料和测试平台的评估，探讨了进行疲劳强度评估的不同方法。奥升德功能材料公司专为减轻噪音、降低振动开发的玻纤增强 Vydyne® AVS 减振降噪聚酰胺，同时确保电动汽车结构所需的刚度和强度，是值得探讨的案例。
奥升德开发了一系列具有特别良好阻尼性能的玻纤增强 PA66 产品。通常情况下，更高的阻尼提升了性能，但会进一步降低可允许的测试频率。我们在静态和循环负载条件下测试了一个特殊组件（未涉及 NVH 和声学测试）。下图为循环负载测试中使用的组件。下文介绍了两种不同的方法，分别是使用各向同性材料模型进行的模拟，和考虑纤维取向的各向异性材料模型进行的更复杂模拟。此处唯一使用的材料数据是准静态拉伸试验的结果。相应的材料模型是根据应力/应变曲线创建的弹塑性模型，用于估算纯交变载荷下 10e7 个载荷循环的疲劳强度。下图显示了以这种方式估算和测量的两种材料疲劳强度，这都是已有的研究。下图显示了以这种方式估算的不同载荷比的 Wöhler 曲线与相应的测量值的比较。然后，可以使用从模拟中确定的平均应力来确定许用应力幅值。循环载荷系数 aBK 计算为发生的应力幅值与许用应力幅值之比。根据材料的韧性和应力张量的局部正交性，可以确定等效应力（类似于 von-Mises），或者评估主要应力分量的最大值。
每个节点的平均应力和应力幅值的确定、正交性的考虑以及任何其它降低强度的因素都是在 S-Life Plastics 软件中完成的，本文不再详细讨论。
下图显示了这种循环强度下样品的验证结果。在模拟中应用了不同的负载幅值，以 10e5 个循环次数中的三个不同幅值为例进行了验证。图中显示了 75%、100% 和 115% 的失效幅值。
即使在临界载荷的 75% 下，部件失效的局部区域的载荷系数也高于 1 。这种材料失效在多大程度上可以解释为断裂意义上的部件失效，这一点无法轻易回答。左图（载荷幅值为 75%）中出现的最大失效幅值已经达到 143%。在试验中测得的 100% 失效幅值下，结果（中间图像）显示临界区域持续过载（超过 100%），最大值为 335% 。毫无疑问，这个结果可以说是保守的。失效载荷被低估了。尽管如此，部件中的失效临界位置被正确识别，并且许用疲劳幅值的大小被正确预测。鉴于可使用的输入数据，这无疑是一个好结果。Anisotropic Material Model考虑到先前模拟中的纤维取向，各向异性材料模型可用于结构模拟，例如借助 Converse 和 MatScape。然后，在纤维取向坐标中，组件的每个点都会出现应力。刚度（和强度）局部取决于纤维取向。
下图是具有不同玻纤取向的代表性体积单元 (RVE) 的应力/应变曲线示例。MatScape 中使用的现象学材料模型 (Hill) 确定模型参数 Rij，使得相应的材料行为通过从测量的参考曲线缩放来近似。
因此，在校准各向异性弹塑性材料模型后，不同纤维取向的静态强度都可用。这与上述各向同性情况可直接比较。
各向异性的主要区别在于每个应力分量（静态和循环）的强度不同。例如，由于应力结果中不再提供取向信息，因此不可再通过von-Mises应力或主应力来评估。相反，必须根据各自的强度分别评估各个应力分量的利用度。只有这样，才能将各个分量的利用度计算为一个总值。这里使用 Hill 方法进行实验（见下图）。假设从静态曲线确定的 R 因子 Rij 也适用于各个应力分量的循环强度。
与各向同性一样，正确识别了组件上的失效临界位置（见下图）。当达到测试中的失效载荷时，首次超过循环载荷因子 aBK 示意（见下图中心图像）。临界失效区域与各向同性验证不同，这表明了局部纤维取向的影响。总体而言，各向异性验证不保守，并且更接近真实测试结果。但是，与各向同性一样，计算的局部疲劳相关性或其值超过 1 不能直接等同于组件失效。即使仅使用通常从短期拉伸试验中获得的材料数据，也可以对本案例中塑料部件在循环载荷下的使用寿命做出合理的估计。各向同性方法明显更为保守，相比之下，各向异性方法直到接近 100% 的载荷幅值才显示出超过设计极限的迹象。这说明各向异性模拟准确性更高，也允许在设计中额外节省重量。奥升德功能材料（Ascend Performance Materials）为日常生活和新兴技术打造高性能材料。我们专注于开拓创新，以改善人们的生活品质，点亮更美好的明天。
作为上下游一体化聚酰胺生产商，奥升德在全球拥有12座生产基地，雇员近三千人，总部位于美国德克萨斯州休斯敦市，在亚洲、欧洲和美洲均设有区域总部和研发中心。我们生产高品质的塑料、织物、纤维和化学品，服务于广泛的客户，助其生产出更安全的车辆、更清洁的能源、更好的医疗器械、更智能的电器设备，以及更持久耐用的服装和消费品。我们致力于安全运营、可持续发展，并通过引领聚酰胺解决方案的创新，助力我们的客户和社区走向成功。
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