[发明专利]对材料在压碎失效期间的行为进行建模

说明书

本发明公开了一种对经受与冲击表面(4)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(10)的第一部件(8)，至少第一部件(8)包括具有压碎失效模式的材料。该方法包括：a)判断表示第一部件(8)的一部分的有限元件正在经历表明有限元件将经受压碎失效模式的状况；b)在假定所述结构受到下述力的情况下来判断所述结构的行为：i)表示所述元件的所述压碎失效模式的持续阻力；以及ii)沿趋于使第一部件和第二部件分离的方向作用在第一部件和第二部件上的另外的力F。

技术领域

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

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。

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——例如金属失效所借助的弯曲和破裂——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。

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。

申请人的较早公报WO 2006/003438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。

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。

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

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：

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；

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：

i)表示所述元件的所述压碎失效模式的持续的阻力；以及

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

在所述第一部件和所述第二部件上的另外的力。