设计仿真 | Digimat在电池壳体SMC复合材料成型工艺中的应用

01   SMC 工艺介绍及挑战 

SMC（Sheet Molding Compound的缩写，即片状模塑料）是一种复合材料制造工艺。该工艺可以有效地代替金属，实现车辆轻量化目标。该工艺不仅能够显著降低车身重量，而且设计灵活，操作简单、易于实现自动化、可成型表面光滑结构复杂的制品等。近年来可以看到越来越多的电车企业，选择SMC作为制备电池壳体的首选工艺。其成型方法是将纤维短切，铺设在树脂和添加剂混合所形成的树脂浆料上，之后在表面进行树脂叠加，三者通过加压固化的方式改变材料厚度，最后包装。

在得到SMC工艺制备的片状卷材后，会对材料进行进一步加工，通常称为CF-SMC模压成型工艺，将连续碳纤维和短切纤维通过不同形式的混杂加工从而制备成形状较为复杂、有较高尺寸精度要求的复合材料零部件，这里连续纤维作为增强体弥补了短切纤维的力学短板，达到了局部补强的目的。可以看出该种方式通过控制纤维长短，铺设方向，可以进一步设计复合材料的力学性能，在力学性能的可控性和可设计性要比单层SMC片材大。该工艺适用于大批量、重复性高、结构复杂的汽车半结构件生产。在不牺牲力学性能、表面质量的情况下进一步减轻重量。

该制造工艺的难点在于需要设计匹配的铺层或者纤维的分布，用以配合不同结构件的力学或其他性能要求。这些挑战要求在设计之初，不仅需要考虑纯力学分析，还要考虑制造工艺过程中所引入的材料各向异性。由于有意识的设计纤维分布的不均匀，导致在宏观表征上，结构件的各向异性明显。通过计算机仿真分析可以快速方便地研究不同设计得到的车身结构的力学性能，进而帮助企业快速确定工艺参数，减少了实际测试和调整的时间和次数，进而降低生产成本，提高研发和生产效率。

Digimat是一款多尺度复合材料性能预测商业软件，能够帮助用户在材料微观结构，制造工艺和宏观结构性能等方面进行高精度预测和分析。

在SMC工艺中Digimat可以从多个角度进行技术支持和分析。微观结构上，Digimat可以建立RVE单元，分析材料的微观结构。该结构可以考虑纤维的长短，纤维的形状，纤维的体积比等。此外，树脂的材料属性也可以进行进一步分析，从材料组分上构建准确的材料模型。

进一步进行制造工艺分析，在工艺流程软件如Moldflow，Moldex3D中可以进行纤维分布，熔接线等分析。参考下图的两种设计，可以看出，当SMC工艺铺层方式不同时，尽管工艺仿真显示，纤维分布方向近似，但熔接线有着明显的不同。

在得到熔接线的分布情况后，结合材料各向异性和纤维分布，在结构有限元分析中，赋予每个单元不同的材料性能。同时在熔接线处进行性能折减处理，全面考虑工艺流程对结构件性能的影响。

如下图中结构件有限元分析显示，一个电车电池壳体分析，考虑顶层分布和底层微观结构，即纤维分布排列情况。场景一，在不考虑纤维分布，材料各向异性的情况下，分析结构件宏观力与位移关系，场景二分析结果显示，施加相同位移情况下，受力低15%。同时，在下图中也可以观察到，结构件的失效位置也有所不同。在第一种情境分析下，失效区主要集中在T区。但当我们考虑材料的各向异性，即下图中中间和右侧的分析结果。可以看到边缘处存在失效区域。此外，不同工艺下，由于熔接线的不同，T区的失效程度也有差异。整体来看，考虑材料的各向异性、制造工艺的影响，可以准确的分析受力边界和失效区域。

03   应用价值 

利用Digimat与工艺软件、有限元仿真分析软件的联合仿真，实现了含有各向异性纤维的复合材料车身结构件的仿真分析。从材料微观结构，制造工艺，结构件仿真全方面精确模拟不同条件下SMC车身结构件的力学性能，帮助企业优化工艺，节省材料损失，缩短研发时间，达到降本增效的目的。