福特动力总成使用Digimat进行材料高级建模优化NVH与轻量化设计

作为我们与 e-Xstream 共同实施的合作伙伴方法论研究项目的一部分，Digimat 所展现的独特能力给我留下了深刻印象。借助该软件我们能够优化复合材料设计的微观结构，因此我们可以针对特定的 NVH 要求进行材料微调。在汽车上采用复合材料是必不可少的减重举措，由此可以减少燃料消耗、降低二氧化碳排放。但这有时会使 NVH 性能有一定程度的下降。Digimat 能让工程师正确地完成复合材料的建模、设计，对最优阻尼性能进行微调，达到所需的 NVH 性能和改进要求。这在部件轻量化设计方面迈出了巨大的一步！—— Mario Felice，福特汽车公司全球动力总成NVH CAE 部经理

概述

福特汽车公司将玻璃纤维增强塑料用于汽车动力总成零件，如发动机罩、进气道及发动机油底壳等。在汽车部件设计上使用这些材料有许多优势，其中包括提供优于金属材料的阻尼性能以及轻量化的可能。但由于制造工艺所造成的复合材料微观结构的复杂性，增强塑料的刚度、阻尼均与频率相关且呈现局部各向异性。要想对此类部件进行有效的NVH设计，就要采用能够有效体现以上材料特征的相应技术，使其贯穿从材料特性研究到部件设计迭代性能预测的方方面面。

挑战

•如何建立材料模型，才能正确地获取与频率和局部纤维方向关系密切的局部各向异性刚度和阻尼性能？

•材料的微观结构参数对零件的 NVH 行为有何影响？

使用者如能掌握上述技术，不仅可将软件工具作为预测性仿真方法，还可以精确调校注塑参数改变纤维走向以达到期望的部件性能。这对福特汽车公司来说是一个难得的良机，由此可以带来两点好处：

• 能够优化零件的 NVH 性能及重量

• 减少了为满足声学目标而采取的通常会增加部件重量的纠正措施

解决方案

在两个动力总成部件上应用了Digimat技术：

•   发动机油底壳，以便：

-   基于DMA试验数据，采用该软件创建粘弹性材料模型。

-   通过结构有限元计算与实验结果的比较，验证模态频率和加速度峰值预测的准确性。

•   发动机支架，以便：

-   估算纤维方向、纤维质量比及纤维长度会给部件的 NVH 行为造成多大程度的影响。

针对各种应用情况，将纤维方向分布映射到 Nastran 结构网格上。通过纤维定向映射可以与有限元分析中的多尺度粘弹性材料模型建立联系，将制造工艺对部件行为预测的影响考虑在内。

对发动机支架进行仿真时，在材料文件中可直接修改纤维质量比和纤维长度，以便判定它们对仿真的影响。

结果/收益 

发动机油底壳案例分析表明，与福特汽车公司常用的各向同性法相比，在识别模态频率和加速度峰值方面均有明显改进：参见图1。

发动机支架案例分析则揭示了各个微观结构参数（纤维方向、纤维长度及纤维质量比）对部件性能有着重大潜在影响，可以将它们视为设计参数。因此，通过微调注塑参数以改变材料微观结构，设计工程师就可以从阻尼和轻量化的角度对部件性能进行优化：参见图 2。

图1.发动机油底壳：模型预测结果与实验数据的比较表明，与常用的各向同性法相比，采用 Digimat 技术取得了明显改进，前者在全频率范围低估了部件的NVH 性能。

图2.发动机支架：纤维方向、质量比及长径比对部件的刚度和阻尼行为的影响与各峰值的频率及本征模态有关