Advanced modelling and fatigue life assessment of a polymer metal hybrid structure

Abstract

A lo largo del siglo actual, la industria del automóvil se ha orientado, hacia la producción de vehículos menos pesados, seguros y eficientes mediante el uso de materiales más ligeros y con mejores prestaciones. Los materiales híbridos, en los cuales se combinan múltiples componentes, pertenecen a una clase emergente muy atractiva por su gran número de posibles y fáciles aplicaciones. No obstante, existe un reto importante en relación a la cuantificación del daño en éstos materiales compuestos debido a que son materiales heterogéneos y anisótropos: sus propiedades físicas pueden variar dentro de una misma estructura y depender de una dirección preferencial. En este proyecto se verifica y actualiza el diseño de una estructura híbrida, a través de métodos de modelización avanzados, que combinan la simulación del proceso de producción con análisis estructurales no lineales mediante elementos finitos. La estructura híbrida está compuesta por Poliamida 66 reforzada con fibras de vidrio cortas en 50% de su peso en masa (Pa66 GF50) y un alma central de Aluminio, cuyo diseño se realizó en trabajos previos. Las simulaciones del proceso de inyección del plástico alrededor del alma central de metal se realizan mediante el software Moldflow, obteniendo como resultado la orientación de las fibras en el interior del subcomponente polimérico. Las propiedades no lineales y la anisotropía, que son función de dicha orientación, se obtienen mediante el uso del software Digimat. El acoplamiento entre Moldflow y Digimat, permite tener en cuenta el efecto de la orientación de la fibra en la respuesta mecánica de la estructura. Para obtener una estimación verídica del daño, la heterogeneidad y anisotropía del material tienen que considerarse tanto, en el análisis estructural con elementos finitos (define la función fuerza - esfuerzo), como en el análisis de fatiga (define la relación esfuerzo - vida ante la fatiga). La verificación del modelo se realiza en primer lugar mediante simulaciones estáticas y posteriormente mediante simulaciones explicitas cuasi-estáticas en las cuales se realiza la optimización de los parámetros que definen el modelo explicito. El análisis de la respuesta mecánica incluye también análisis del componente ante el efecto de la fatiga. Para la evaluación de la vida de los elementos del componente, se utiliza el módulo DesignLife del software nCode. Como resultado de todos los análisis se obtiene un diseño mejorado de la estructura híbrida, el establecimiento del punto de inyección óptimo así como, los parámetros óptimos del análisis explicito.

The automotive industry currently is in the drive to produce lighter, safer and more efficient cars for the 21st century and beyond through application of new materials that can do a better job. Hybrid materials, where multiple substances are combined, belong to an interesting new class that is emerging rapidly thanks to their main applications. Challenges in estimating damage in composite materials derive from the fact that in general composite materials are inhomogeneous and anisotropic, that is, their physical properties may vary throughout a structure, and be strongly directional. In this thesis work, the design of a polymer metal hybrid structure is addressed by advanced modelling methods, by combining process simulation with non-linear finite element structural analysis. The hybrid structure is composed by polyamide 66 reinforced with 50% mass fraction short glass fiber (PA66GF50) and aluminum. Injection molding simulations are performed using the software Moldflow, whose result is the fiber orientation distribution inside the polymeric subcomponent that defines the anisotropy of the material. Nonlinear properties and anisotropy of the polymer, function of the fiber orientation, are evaluated using the software Digimat. The coupling with process simulation allows for taking into account the effect of fibre orientation upon the mechanical response of the structure. In order to obtain any useful estimate of damage, inhomogeneity and anisotropy of the material were token into account both in the structural FE analysis (defining the load-stress transfer function) and in the fatigue analysis (defining the stress-life relationship), in order to have the best possible fitting between results. Model verification is performed firstly by static general simulations, and subsequently by explicit quasi-static modelling. In parallel, manufacturing process is optimized by the studying of the optimal injection point based on the mechanical response of the component and its behavior against failure. The analysis of the mechanical response also includes fatigue. The specific DesignLife module tool of nCode is used and tested for the fatigue life assessment of the component. An improved design of the structure is obtained and verified based on all the results obtained, as well as the optimal injection point and the optimal parameters for the explicit analyze.