一、DIGIMAT簡介

　　DIGIMAT是由e-Xstream engineering研發(fā)的專注于復(fù)合材料性能模擬的軟件，為整合模流分析與結(jié)構(gòu)分析以及獲取通用有限元分析所必須的復(fù)合材料參數(shù)提供了一整套的解決方案。DIGIMAT非線性、多尺度的復(fù)合材料模擬平臺，通過基體和纖維的材料特性，以及它們之間的微觀結(jié)構(gòu)(纖維形狀、方向和含量等)獲得復(fù)合材料的特性，如應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1)、工程常數(shù)(圖2)、剛度或柔度以及熱膨脹系數(shù)等。

　　近年來，電腦模擬仿真技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，為企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提升產(chǎn)品品質(zhì)提供了極大的幫助。機械、汽車和航空航天等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)有限元分析，以及模具行業(yè)的模流分析等已深入人心。同時，隨著輕量化、高品質(zhì)化的需求，傳統(tǒng)的金屬材料已不能滿足要求，增強塑料及復(fù)合材料的應(yīng)用變得不可或缺，這就對采用這些材料的結(jié)構(gòu)有限元分析提出了新的挑戰(zhàn)。比如，如何將增強塑料件的模流分析和結(jié)構(gòu)有限元分析整合以及如何獲取復(fù)合材料件的材料參數(shù)，提高CAE分析的置信度，真正實現(xiàn)增強塑料件和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元分析，而這些新的挑戰(zhàn)是采用傳統(tǒng)CAE技術(shù)很難完成的。通過整合數(shù)字化材料樣機DIGIMAT材料模型與傳統(tǒng)CAE可以很好地解決這一系列難題。

　　二、DIGIMAT的應(yīng)用

　　1.DIGIMAT在增強塑料上的應(yīng)用

　　增強塑料是含有增強材料的塑料，是一種高分子復(fù)合材料。增強塑料的性能由基體性能、增強材料性能、增強材料的體積百分比以及增強材料的形狀和實驗條件等共同決定。以增強塑料件為例，結(jié)構(gòu)性能在很大程度上取決于纖維的方向，如進澆口(gate)位置的不同，會極大地影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，而工藝的影響也不可忽略，如圖3所示。

　　圖4是纖維取向?qū)ζ湓鰪娝芰显趦煞较蚶炷Ａ康挠绊?，并比較了實驗結(jié)果與DIGIMAT計算結(jié)果，對比后發(fā)現(xiàn)，采用DIGIMAT估計值與實驗值約低5%，在誤差允許范圍內(nèi)，這樣可以在保證材 料性能的基礎(chǔ)上大幅度降低成本。

　　2.DIGIMAT在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

　　汽車行業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè)，其競爭也日趨激烈，在這種情況下，新產(chǎn)品推出的速度也越來越快，這也對行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來越高的要求。CAE技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益。由于復(fù)合材料的高性能、低成本等優(yōu)越性能，汽車部件越來越廣泛地采用復(fù)合材料，這也對CAE模擬技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)CAE中的材料模型通常不考慮纖維取向等因素，這會給計算機仿真帶來較大的誤差。

　　圖5是采用DIGIMAT材料模型整合有限元技術(shù)在汽車保險杠模態(tài)分析結(jié)果與實驗比較。從圖中可知，采用DIGIMAT材料模型與實驗結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，這是因為DIGIMAT材料模型可以考慮纖維取向、體積百分比等對其影響，準(zhǔn)確地反映出復(fù)合材料真實結(jié)構(gòu)形態(tài)。

　　3.DIGIMAT在3C行業(yè)中的應(yīng)用

　　3C材料一般采用工程塑料，若想準(zhǔn)確地預(yù)測材料的機械性能、熱學(xué)性能等對于傳統(tǒng)CAE而言是相當(dāng)困難的，整合CAT技術(shù)與DIGTMAT材料模型，可輕易解決這一難題。

　　圖6是某手機制造商手機跌落實驗與計算機仿真結(jié)果比較。 從圖中可知，采用均質(zhì)材料很難模擬手機小部件的破碎，而采用 DIGIMAT材料模型可以將實驗結(jié)果精確再現(xiàn)，這為提高研發(fā)速度 提供了有力的保障。

　　4.DIGIMAT在納米復(fù)合材料中的應(yīng)用

　　納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相至少在一維以納米級大小(1~100nm)復(fù)合而成的復(fù)合材料。這些固相可以是非晶質(zhì)、半晶質(zhì)、晶質(zhì)或兼而有之，也可以是有機物、無機物或二者兼而有之。

　　由于納米顆粒的分布狀態(tài)及其尺寸的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)CAE 技術(shù)很難實現(xiàn)對其精確模型。圖7是采用DIGIMAT材料模型計算的納米復(fù)合材料導(dǎo)電率。從圖中可知，只有當(dāng)碳納米管增加到一定程度時，整個材料才會導(dǎo)電，這為實驗設(shè)計提供了有力的參考依據(jù)。

　　三、DIGIMAT各版塊簡介

　　DIGIMAT共由六個模塊組成，它們之間的數(shù)據(jù)可以相互傳遞，同時也可以方便地將計算結(jié)果導(dǎo)入到通用有限元軟件中進行深入分析。

　　1.DIGIMAT-MF

　　DIGIMAT-MF是通過均勻化方法快速準(zhǔn)確地預(yù)測復(fù)合材料的非線性行為。這一模塊基于單胞理論，即將復(fù)合材料劃分至最小單元，分別定義基體、增強體等材料的結(jié)構(gòu)性能以及增強體含量，結(jié)合相關(guān)材料模型(如Drucker-prager模型等)計算復(fù)合材料機械性能等。

　　2.DIGIMAT-FE

　　DIGIMAT-FE是通過代表性單元體(RVE)法準(zhǔn)確地預(yù)測復(fù)合材料的局部或整體非線性行為?；诖四K，可以創(chuàng)建復(fù)雜的材料3D微觀尺度模型，并賦予結(jié)構(gòu)性能以及相關(guān)載荷，結(jié)合商用有限元軟件ABAQUS等可精確實現(xiàn)基于細觀層次的復(fù)合材料及其各組分在外界載荷下的相應(yīng)歷程。

　　3.DIGIMAT-MX

　　DIGIMAT-MX是為材料供應(yīng)商和終端用戶之間提供DIGIMAT材料模型的準(zhǔn)備、存儲、提取和安全交換。用戶可以充分利用此模型查詢材料常數(shù)，進行逆向工程，即由已知的復(fù)合材料模型反求基體或者是增強體的性能。

　　4.DIGIMAT TO CAE

　　DIGIMAT TO CAE是通過非線性多尺度模擬手段精確地預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能。此模塊為滿足客戶多樣化的需求，可實現(xiàn)有限元軟件與DIGIMAT的無縫銜接，使結(jié)果更為精確。

　　5.DIGIMAT-MAP

　　DIGIMAT-MAP為模流分析和結(jié)構(gòu)分析提供高效的映射功能， 實現(xiàn)不同網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息的交互?；诖四K，用戶可以精確地將模流分析結(jié)果(如纖維取向、溫度等信息)傳遞到通用有限元模型中，提高有限元分析準(zhǔn)確性。

　　6.DIGIMAT-MICROSS

　　DIGIMAT-MICROSS通過微機械材料模型，快速而高效地實現(xiàn)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計。此模塊專為蜂窩結(jié)構(gòu)而設(shè)計，可以滿足風(fēng)機葉片、機翼等夾芯結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計。