1        前  言            

 短纖維增強(qiáng)塑料 （SFRP） 因其增強(qiáng)的機(jī)械性能、輕質(zhì)性和成本效益而在汽車(chē)行業(yè)中獲得了廣泛的普及和使用真译。SFRP材料可用于各種零部件，包括內(nèi)部和外部部件燕柠、結(jié)構(gòu)部件猬蚤、引擎蓋下部件和懸架系統(tǒng)等。 

實(shí)際工程應(yīng)用中尊慷，SFRP材料產(chǎn)品性能受到其纖維含量执寺、取向、分布等因素的影響肖婴。博世公司為了準(zhǔn)確描述SFRP材料產(chǎn)品的性能洞惕，使用到海克斯康旗下的復(fù)合材料多尺度仿真平臺(tái)Digimat略裹，對(duì)SFRP材料進(jìn)行非線性本構(gòu)建模以及注塑工藝結(jié)果映射竟坛，從而實(shí)現(xiàn)了針對(duì)產(chǎn)品性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

另一方面钧舌，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程是確定性設(shè)計(jì)担汤，認(rèn)為所有的輸入?yún)?shù)都是固定值；然而實(shí)際情況是產(chǎn)品在制造生產(chǎn)過(guò)程中存在多種不確定性洼冻，例如SFRP材料含量的波動(dòng)崭歧。因此通過(guò)在設(shè)計(jì)階段引入可靠性分析，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)撞牢，防止出現(xiàn)設(shè)計(jì)不足或過(guò)設(shè)計(jì)情況率碾。

2          解決方案

海克斯康基于旗下復(fù)合材料多尺度仿真平臺(tái)Digimat普泡，以及人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)智能實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)ODYSSEE播掷，搭建了針對(duì)復(fù)合材料不確定性量化（UQ）分析的解決方案（如下圖），并應(yīng)用于博世公司的SFRP材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)中撼班。

圖1. 針對(duì)復(fù)合材料UQ分析解決方案

該解決方案主要包含五個(gè)步驟：

1. 準(zhǔn)備輸入文件

2. 定義并執(zhí)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）

3. 訓(xùn)練和評(píng)估降階模型（ROM）

4. 定義和計(jì)算設(shè)計(jì)極限

5. 進(jìn)行不確定性量化（UQ）分析

3        應(yīng)用案例

博世公司研究團(tuán)隊(duì)主要針對(duì)SFRP材料通過(guò)虛擬工程來(lái)加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的步伐歧匈，包括過(guò)程模擬、微觀結(jié)構(gòu)特征模擬和測(cè)試砰嘁、結(jié)構(gòu)模擬等嚎猛。從而減少實(shí)際準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試的工作量，包括產(chǎn)品的準(zhǔn)靜態(tài)變形和失效鹤梯，并進(jìn)行可靠性評(píng)估拉鳄。

圖2. SFRP材料產(chǎn)品虛擬工程

對(duì)于 SFRP材料排貌，傳統(tǒng)的測(cè)試方法需要經(jīng)歷材料交付、板材注塑成型凳福、樣品研磨投谅、CT掃描、拉伸實(shí)驗(yàn)等多個(gè)步驟才能最終得到相關(guān)材料參數(shù)则钩，花費(fèi)時(shí)間最少1個(gè)月蘑劲；而利用材料虛擬工程的方法，可以將材料開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短到幾天檀巡。

圖3. 傳統(tǒng)測(cè)試方法 vs 虛擬工程

3-1            產(chǎn)品的準(zhǔn)靜態(tài)變形和失效

圖4展示了針對(duì)PBT-GF30材料不同纖維取向的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果似魄，表明虛擬工程能夠很好的預(yù)測(cè)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和失效行為。

圖4. 不同溫度下宜恩，PBT-GF30材料不同纖維取向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及失效

將上述材料參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際零部件作姐，得到于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)類(lèi)似的結(jié)果，說(shuō)明使用各向異性方法能夠?qū)崿F(xiàn)非常好的預(yù)測(cè)效果泛范。

圖5. 不同溫度下让虐，PBT-GF30零部件力-位移曲線及失效

3-2              產(chǎn)品可靠性分析

上述仿真分析是確定性的，即忽略了實(shí)際情況中的不確定性來(lái)源敦跌。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中考慮不確定性因素越晚澄干，則需要設(shè)計(jì)更改的時(shí)間越晚逛揩，這樣實(shí)施起來(lái)的成本就會(huì)很高柠傍。同時(shí)，考慮組件結(jié)構(gòu)可靠性的所有不確定性辩稽，需要大量的仿真計(jì)算工作惧笛。

圖6. 在設(shè)計(jì)前期考慮產(chǎn)品的各種不確定性，可以有效減少設(shè)計(jì)變更成本和時(shí)間花費(fèi)

這里我們考慮纖維取向不確定性對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響逞泄，研究產(chǎn)品在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的變化患整，考慮其失效指標(biāo)（FI）的分布情況。

按照?qǐng)D1所示的UQ分析流程進(jìn)行產(chǎn)品可靠性分析：

●首先進(jìn)行DoE樣本點(diǎn)的準(zhǔn)備喷众，按照二階取向張量均勻分布的要求生成10個(gè)樣本點(diǎn)各谚，每個(gè)樣本點(diǎn)使用Digimat進(jìn)行零部件性能仿真分析并計(jì)算FI。

●利用上述10組結(jié)果進(jìn)行高精度ROM訓(xùn)練和驗(yàn)證到千，即7組樣本進(jìn)行訓(xùn)練甥鼠，3組樣本進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明預(yù)測(cè)模型和高保真仿真模型之間非常匹配稻诚。

●之后利用上述高精度ROM進(jìn)行產(chǎn)品可靠性分析岭笔，以評(píng)估纖維取向的不確定性對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響，針對(duì)五種纖維取向波動(dòng)情況進(jìn)行研究辖狞，每種情況調(diào)用1000次ROM進(jìn)行計(jì)算钻国，結(jié)果表明當(dāng)纖維取向不確定性大于0.05時(shí)奴妈，產(chǎn)品可靠性開(kāi)始下降；當(dāng)外載荷降低20%時(shí)燎称，纖維取向不確定性即使達(dá)到0.2窃愿，產(chǎn)品可靠性也不會(huì)降低。

圖7. （a）3組驗(yàn)證樣本FI的精度贩溉；（b）不同數(shù)量（3組膳几、5組、6組和7組）訓(xùn)練集的預(yù)測(cè)精度（R2指標(biāo)）破溺；（c）產(chǎn)品可靠性與纖維取向不確定性的變化關(guān)系曲線启疙；（d）外載荷降低20%后，產(chǎn)品可靠性與纖維取向不確定性的變化關(guān)系曲線

4            結(jié)論＆展望

針對(duì)復(fù)合材料不確定性量化分析解決方案嵌入了材料科學(xué)裕循、人工智能和UQ的高級(jí)專業(yè)知識(shí)臣嚣，通過(guò)全自動(dòng)的工作流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的高效評(píng)估剥哑，幫助用戶提高工作效率硅则，從而實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。

在未來(lái)的工作中株婴，涸醭妫克斯康還將結(jié)合先進(jìn)的人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)方法，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)困介，實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的擴(kuò)充大审，為用戶提供更多高精度的復(fù)合材料模型；同時(shí)座哩，也會(huì)將上述不確定性量化分析解決方案應(yīng)用于更多的材料特征（例如聚合物材料參數(shù)和纖維長(zhǎng)度）徒扶，以及更多種類(lèi)的聚合物材料上。

（焊睿克斯康工業(yè)軟件）

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