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利用RADIOSS软件的汽车复合材料结构分析
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一、前言
随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和CO2废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节省750,000桶燃油，每年CO2的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。
纤维增强复合材料具有高强度、高模量的特点，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的关键结构材料。它也适用于制造汽车结构——车身、底盘的材料，受到汽车工业广泛重视。目前纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。2001年宝马公司率先开发和试验了高强轻量的碳纤维复合材料（CFRP）车体板和其他部件。
在汽车制造业中，复合材料的应用将会越来越广泛。人们对作为承载部件的复合材料力学性能研究也将继续。一些部件需要承受频繁的循环载荷。其他种类载荷虽然发生频率不如这么高，但是也很重要，也必须考虑。这其中就包括碰撞。碰撞已经成为，而且将继续成为汽车安全的主要议题之一，降低碰撞事故的死亡率已经越来越重要。汽车将来可能会用到特别多的复合材料作为主要结构部件，对复合材料在碰撞条件下的分析就显得特别重要。碰撞中部件的压溃，是吸能的重要手段。本文通过利用RADIOSS软件，对复合材料压溃现象进行了模拟。
二、名词解释
σij：应力张量
εij：应变张量
σCiy：i方向的屈服应力分量
Wp：塑性功
三、RADIOSS 薄壳单元复合材料（25号材料）
薄壳单元复合材料是由若干铺层组成的，为正交各向异性。铺层可以有不同的材料参数，不同的角度，和不同的厚度。每层都是平面应力状态：σ1,σ2,σ3,σ4=σ12，下标1和2表示铺层方向。
平面应力状态的屈服条件由Tsai-Wu判据给出：

（图片）

如果F<1，材料就是弹性的，否则材料就是塑性的。屈服应力由有关塑性变形及其应变率的硬化本构给出：

（图片）

当最大应变≥m已达到，在该方向的发生拉伸失效，拉伸屈服应力变为0。软化是由损伤模型表征的。
当塑性变形更大时Wp ≥Wmaxp，塑性变形根据一个门槛准则模拟。
基于等效剪切应变（图片）的简单准则用于判断剪切剥离。弹性横向剪切应力由σi3=Gi3(1-d3)γi3给出，损伤参数变化区间为1到0。如果γ≤γt，d3=0 ；如果γ≥γm，d3=1.。
模型共有38个参数：6个弹性模量，25个参数定义屈服准则，7个参数定义失效模式。
四、正弦形状的梁结构的压溃分析
某部件采用梁结构作为吸能部件。梁的尺寸由所设计吸收的动能决定。根据实验和RADIOSS所做的数值仿真可以估计吸能结构能量吸收的大小。我们采用上述的材料本构做仿真模拟。图1是压溃速度为500 mm/min的结果。

（图片）

图1 压溃实验有限元模拟

五、结论
本文用显式有限元软件RADIOSS计算了纤维增强复合材料部件在给定冲击条件下的响应，采用RADIOSS软件进行了仿真计算。
从事故死亡率看，能量吸收的控制对保证乘员安全是绝对必要的。仿真方法可以将碰撞考虑在结构研发中。复合材料的破坏模型比较复杂，诸如层间剥离等复合材料失效模式，需要更进一步的讨论，以得到更好的分析精度。 4/16/2010

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