对材料在压碎失效期间的行为进行建模的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于为具体地但非排他性地在复合车身部件受冲击情况下被压碎的材料的行为建模的方法、装置和软件。
【背景技术】
[0002]纤维增强复合材料、特别是碳纤维复合材料正成为新汽车及其他车辆设计的日益重要的部分。复合材料与其金属等同物相比，即使是与铝相比，都是非常轻的，并且复合材料可以形成为可以与许多焊接金属冲压件起到相同作用的复杂形状。复合材料还具有能够吸收冲击期间的大量能量的能力，这使得复合材料对于汽车应用、航空应用、铁路应用或民用而言是理想的。例如，钢只能吸收多至20千焦每千克并且铝吸收大约30千焦每千克，但碳复合材料可以吸收多至80千焦每千克。
[0003]复合材料具有这样良好的能量吸收特性的部分原因在于:除了传统的失效模式一一例如金属失效所借助的弯曲和破裂一一之外，复合材料还具有金属中所不具有的完全独立的失效模式。这在本领域中被称为压碎失效模式。在这种模式中，被压碎材料在其已经吸收能量之后基本上不具有残余强度。替代地，复合材料在其已被压碎之后转变成非常小的碎片和松散连接的纤维。这也意味着与等同金属结构中相比需要较小的空间。这是因为在金属结构中，必须在指定的溃缩区中设置空间以容置压弯的金属。
[0004]在微观尺度上，这种材料通过材料的局部分解，通过基体开裂、纤维屈曲和断裂、摩擦加热等来吸收能量。在宏观尺度上观察，材料基本上通过在连续基底上的冲击而被压碎或消耗，并且原先固结的材料变成非结构化碎片。
[0005]申请人的较早公报WO2006/003438描述了一种用于使能够对具有如上所述的压碎失效模式的材料进行准确建模的革命性技术。这种技术被称为CZone (TM) 现在被广泛地用来设计汽车及其他车辆的新部件。
[0006]在CZone之前，现有的有限元分析技术只能通过现有的失效模式来处理复合材料元件，并且因此将整个元件或共同构成层压件的各个层看作保持它们的完整性直至达到“经典的”失效应力值为止，随后元件或每个层在某时被简单地从分析中删除。这种方法提供了不准确的结果，原因在于它没有反映这些材料实际上如何行为。材料不会突然消失，而是会当它在冲击表面处转变为细小碎片时逐渐地“被消耗”。这种方式还引发了由非常大的力引起的另一问题，所述非常大的力是在模型(该模型实际上并没有出现在被建模的实际材料中)中由利用经典失效应力来使元件失效而产生的。这些力通过模型传播，并且可能在后备结构中引起意外的(并且不现实的)失效。
[0007]不管CZone技术的有效性如何，本申请人现已认定存在基本技术不准确的一些情况并且已经发明一种旨在解决这种问题的改进技术。
【发明内容】
[0008]当从第一方面观察时，本发明提供了一种对经受与冲击表面之间的冲击的结构的抗冲击性进行计算的方法，该结构包括粘合或紧固至第二部件的第一部件，至少第一部件包括具有压碎失效模式的材料，该方法包括:
[0009]a)判断表示第一部件的一部分的有限元件是否正经历表明有限元件将经受所述压碎失效模式的状况；
[0010]b)在假定所述结构受到以下力的情况下来判断所述结构的行为:
[0011 ] i)表示所述元件的所述压碎失效模式的持续的阻力；以及
[0012]ii)沿趋于使所述第一部件和所述第二部件分开的方向作用
[0013]在所述第一部件和所述第二部件上的另外的力。
[0014]本发明扩展到数据处理装置，该数据处理装置编程为:通过以下方法来对经受与冲击表面之间的冲击的结构的抗冲击性进行计算，该结构包括粘合或紧固至第二部件的第一部件，至少第一部件包括具有压碎失效模式的材料，该方法包括:
[0015]a)判断表示第一部件的一部分的有限元件是否正经历表明有限元件将经受所述压碎失效模式的状况；
[0016]b)在假定所述结构受到以下力的情况下来判断所述结构的行为:
[0017]i)表示所述元件的所述压碎失效模式的持续阻力；以及
[0018]ii)沿趋于使所述第一部件和所述第二部件分离的方向作用
[0019]在所述第一部件和所述第二部件上的另外的力。
[0020]本发明还扩展到计算机程序，该计算机程序包括以下指令:通过以下方法来对经受与冲击表面之间的冲击的结构的抗冲击性进行计算，该结构包括粘合或紧固至第二部件的第一部件，至少第一部件包括具有压碎失效模式的材料，该方法包括:
[0021]a)判断表示第一部件的一部分的有限元件是否正经历表明有限元件将经受所述压碎失效模式的状况；
[0022]b)在假定所述结构受到以下力的情况下来判断所述结构的行为:
[0023]i)表示所述元件的所述压碎失效模式的持续阻力；以及
[0024]ii)沿趋于使所述第一部件和所述第二部件分离的方向作用
[0025]在所述第一部件和所述第二部件上的另外的力。
[0026]本发明还扩展到带有所述计算机程序的非暂时性计算机可读介质。
[0027]因此本领域的技术人员将看到，根据本发明，至少在本发明的优选实施方式中，在结构包括粘合或紧固在一起的两个部件以及通过持续阻力来对压碎失效建模的情况下，提供趋于使这两个部件分离的另外的力。该另外的力表示由申请人观察到的关于经受压碎失效模式的粘合部件要被通过压碎产生的碎片强迫分开的趋向，其中，所述碎片是不可完全压缩的。这表示了对基本CZone技术的改进，基本CZone技术没有对该力建模。它还表示以下认识:虽然整体上压碎期间产生的细小碎片由于其没有保持结构完整性而可能被忽略，但是在碎片如上述情形中限制在小的空间中的情况下，碎片确实变得重要。
[0028]表示压碎失效模式的持续阻力和/或作用成使第一部件和第二部件分离的另外的力可以利用材料理论来确定。可以动态地进行必要的计算以作为文中公开的方法的一部分，或者可以提前进行这些必要的计算并且将计算的结果用于文中公开的方法。然而，在一组实施方式中，上述两个力各自近似于关于给定的一组宏观条件(与冲击物接触的面积、速度、冲击的角度等)的相应的单个宏观值。相应的值可因此通过对讨论中的材料的小样品(在本领域中被称为“试样”)执行测试来以经验的方式获得，从而其后允许在大而复杂的结构中建模。这种方法的优点在于:没有必要计算或甚至理解压碎期间起作用的内部机理，这些内部机理通常是非常复杂的。例如在纤维复合材料中，内部机理尤其取决于纤维类型和大小、树脂性能、固化周期以及编织类型。
[0029]在一组实施方式中，另外的力是第一部件与第二部件之间的间距的函数。至少在给定范围的间距上，该另外的力可能反比地取决于该间距一一也就是说该力随着间距的增大而减小。该函数可以通过数学关系(例如线性的)来限定或者可以凭经验确定。在该函数由数学关系限定的情况下，其中的参数仍然可以凭经验确定。然而，这也不是必需的，这些参数也可以被分析确定。
[0030]该另外的力可以只是第一部件与第二部件之间的间距的函数或者也可以取决于其他变量，例如部件的厚度、第一部件和/或第二部件的速度、温度、冲击的角度等。
[0031]在一组实施方式中，该另外的力被应用为胶黏元件公式的一部分，胶黏元件公式包括胶黏剂强度建模和所述另外的力。然而，这不是必需的。
[0032]该另外的力可以被计算以作为用以确定第一部件与第二部件一一即“粘合部模型”的部件一一之间的粘合部的行为的计算结果的一部分，但这不是必需的。
[0033]第一部件和第二部件可以例如通过胶黏剂粘合在一起，例如通过螺栓、螺钉、铆钉等机械地紧固在一起，或者可以通过结构或超结构的其他部件简单地保持在一起。
[0034]如上所述，根据本发明，持续阻力表示压碎失效模式。这将在冲击表面移动越过分配给所述元件的空间时被典型地应用并且对应于指定给所述元件的材料或层压件的压碎性能来施加阻力。这强调了与传统有限元建模的区别，传统有限元建模将冲击表面视为无法有效穿透的并且因此不得不在已经达到元件的失效应力之后删除该元件，而根据本发明，在冲击表面已经侵入到被该元件占据的空间之后，该元件仍对冲击表面起作用。从概念上使其可视化的一种方式是元件剩余但仍在其“穿过”障碍物时引起阻力。这样的情况在常规的有限元模型中是不可能的。
[0035]冲击表面可以完全对应于引起冲击的实际物理表面或者其可以包括与障碍物的实际位置具有固定关系的压碎前部。
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