基于Digimat的玻纤增强PA66油底壳振动异响仿真与试验对标研究

在汽车发动机系统中，油底壳扮演着至关重要的角色。它位于发动机底部，核心功能在于储存和管理润滑油，确保发动机内部运动部件的顺畅运行和有效润滑。

图1 汽车油底壳

随着汽车轻量化趋势的持续推进，纤维增强尼龙复合材料因其优异的比强度和减重潜力，正越来越多地取代传统金属材料应用于油底壳等零部件的制造。然而，这类复合材料本质上具有显著的各向异性特性。在注塑加工过程中，增强纤维在熔体流动方向上的分布难以实现完全均匀，导致最终成型的零部件内部不同区域的材料属性（如刚度、强度）存在空间上的差异性。

因此，为了准确预测此类纤维增强复合材料零部件（如油底壳）在复杂载荷下的性能，尤其是涉及高应变率场景（如碰撞、跌落测试）的性能评估，亟需开发并应用能够模拟其各向异性应力-应变行为的材料模型。这些模型需要精确反映材料在高应变率下的响应特性，并将模拟结果与实验验证进行比较。

纤维增强塑料通常具有高度各向异性，对性能有很大影响。因此需要考虑局部纤维取向和由此产生的性能影响。

先进的建模工具可以成功预测：

• 纤维取向

• 纤维取向对材料力学行为的影响

• 零件性能：例如刚度、强度、碰撞、噪声、振动和声振粗糙度（NVH）、尺寸稳定性、蠕变、疲劳等

大多数拉伸试验是在约0.001 s^-1的应变率下进行的。在较高的应变率下，热塑性材料的应力-应变行为会发生很大变化，表现出刚度和强度的增加。因此，使用从不同取向（0°、45°和90°）的注塑板铣削而成的拉伸杆试件，在0.001至100 s^-1的范围内进行了应力-应变试验。

在高应变率测试中进行准确的应变评估并非易事。目前先进的技术是使用数字图像相关方法。这是一种非接触式的基于图像的技术，需要用高分辨率、高帧率的相机记录试样表面变形。图像分析软件用于从这些图像中评估应变场。为了获得准确的结果，需要一个具有明显特征的图案的试样表面。这是通过使用喷散斑的方式创建的（见下图2）。

图 2 喷散斑后拉伸断裂样条

图 3 材料仿真分析平台

基于高应变率实验，我们开发了Digimat材料卡片，对各向异性粘弹性/粘塑性材料行为进行了建模。Digimat是一个使用微观力学的多尺度材料建模平台，用于复合材料的高效建模。

图 4 Digimat软件

本文选用35%（质量分数，下同）GF增强聚酰胺 66 材料 （35%GF/PA66），在温度为 23 ℃时 0°、45°、90°方向测试注塑试样拉伸应力-应变试验数据，如图5所示。

图 5 拉伸实验数据

基于 Digimat-MX 模块等效体积单元法 （RVE）进行材料参数拟合，选择J2-Plasticity弹塑性模型作为材料基础本构模型进行材料属性逆向，总体相对误差优化到2%以内时结束迭代。

基于模态仿真基础模型，设置扫频范围 1～1000，系统阻尼0. 025，激励载荷设置为各频率下竖直向上1g冲击加速度（g为重力加速度），仿真提取频率响应点位置如图6所示。频响试验与仿真边界保持一致，在大推力振动试验台架上进行，如图7所示。

图6 频响分析观测点

图7 振动试验台

基于模态分析约束边界，同步设计油底壳模态测试， 油 底 壳 前 10 阶 模 态 仿 真 与 测 试 结 果 对 比见表1。

由表1可知，油底壳前5阶模态仿真值与测试值的相对误差在8%以内，前10阶模态仿真值与测试值的相对误差在 12% 以内，且振型一致，仿真精度满足工程应用需求，验证了仿真方法的有效性。

表1 模态仿真与测试结果

图8 频响分析仿真与试验对比

对1～4观测点竖直向加速度频响结果进行对比，结果如图8所示。由图8可知，在竖直向上激励的工况下，各观测点首个峰值出现的频率 （以下简称“峰值频率”）为85 Hz左右，与1阶模态频率对应；仿真和试验出现的峰值频率接近，且幅值误差较小，验证了频响分析方法的准确性。

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