MAT_58材料卡片在新能源汽车复合材料底护板仿真分析中的应用

国高材高分子材料产业创新中心

2026年1月23日 18:11

图1 汽车底护板

随着全球汽车产业向电动化、智能化加速转型，新能源汽车的底部安全防护已成为决定产品可靠性与市场竞争力的核心要素之一。面对复杂的真实路况——从城市道路的减速带到非铺装路面的碎石与凸起——作为动力电池“第一道物理防线”的底护板，其性能直接关系到整车的安全底线。

图2 高分子复合材料与铝镁合金材料的对比

传统的金属防护方案虽然可靠，但过大的重量已成为阻碍车辆续航里程提升的“阿克琉斯之踵”。在此背景下，以连续纤维增强热塑性复合材料（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic， CFRTP） 为代表的轻量化高性能材料方案应运而生，正引领一场从“金属护甲”到“复合材料铠甲”的静默革命。

图3 底盘全方位保护5件套

在这场材料革新中，我国材料科技企业已走在前列。例如，金发科技凭借其在CFRTP领域深厚的技术积累，创新性地将该材料应用于动力电池的底护板与密封盖系统。

底护板复合材料

① 更强的防护能力：Kingfa复合材料底护板较能够显著提升动力电池底部冲击防护效果。即使在16mm直径的球头冲击下下(更严苛的底部冲击试验)Kingfa复合材料底护板较3mm铝板具有更强的防护能力；

② 更低的零件成本：使用复合材料对高强钢的封装，节省了电泳，PVC涂层等工艺成本，整体零件成本有很大的节约。Kingfa复合材料底护板较铝板可以大幅节省材料成本。

更值得关注的是，金发科技通过对阻燃配方的创新设计，使CFRTP部件同时满足了高玻纤含量、V0级阻燃、1200℃耐火烧等极端安全要求，展现了材料本身的多功能集成潜力。

然而，复合材料的“可设计性”既是其优势，也带来了巨大的开发挑战。与传统均质金属材料不同，CFRTP的性能高度依赖于纤维种类、取向、铺层顺序以及基体特性，其破坏模式复杂多样。仅凭物理试验进行“试错式”开发，成本高昂且周期漫长。因此，基于高保真度计算机仿真的虚拟设计与性能预测，已成为复合材料产品开发不可或缺的核心环节。

PART 01

MAT_058的作用

在LS-DYNA针对复合材料的众多材料模型中，MAT_58 (*MAT_LAMINATED_COMPOSITE_FABRIC) 是一个经过长期工程实践验证的经典选择。与其它高级复合材料模型相比，MAT_58在工程应用中展现出独特的综合优势，使其特别适合用于新能源汽车底护板这类涉及冲击、碰撞的防护结构仿真。

MAT_58基于Matzenmiller-Lubliner连续损伤力学框架，通过Hashin失效准则来预测层合板的面内损伤起始与演化。其核心优点在于，模型所需的输入参数（如不同方向的弹性模量、强度、断裂韧性等）大多可直接通过ASTM标准试验获取，物理意义明确，降低了参数标定的不确定性。更重要的是，该模型在模拟材料损伤软化过程中不产生累积塑性应变，这意味着其计算不依赖于复杂的变形历史更新，从而在模拟如底部刮蹭、石子冲击等复杂事件时，能保持较高的计算效率，这对于需要大量迭代设计的工程场景至关重要。

PART 02

MAT_58的适用性

研究表明，MAT_58在准确预测复合结构压溃过程的稳定压溃力与复杂失效模式（如分层、纤维碎裂、层合板开花）方面，有时需要做出权衡。有研究指出，在某些轴向压溃仿真中，调整参数可能让仿真在“力值准确”或“失效模式准确”中二选一，难以同时完美复现。

此外，对于涉及大变形、卸载再加载的复杂应力路径，其损伤定律存在一定的局限性。然而，对于新能源汽车底护板防护所主要关注的低速冲击、击穿防护及能量吸收等场景，其主导的失效模式相对明确，通过合理的参数校准与建模策略，MAT_58已被证明能够提供足够可靠的工程指导。

表1 几种常用于复合材料冲击分析的典型材料卡片

PART 03

应用案例

表 2 所示为 *MAT_58 材料模型主要的输入参数，其中大部分参数例如密度、弹性模量、强度和泊松比可以通过 ASTM 标准试验测试得到。

TAU1 和 GAMMA1（仅在 FS 为 -1 下激活）被定义为剪切应力-应变曲线中的第一段非线性区域的应力与应变极限，该组参数能够描述编织复合材料更加复杂的剪切非线性行为。

SLIMxx 被称为应力极限因子，能够定义单元在材料坐标系下各方向在损伤后、单元失效删除前的最小应力，例如纤维拉伸方向单元应力的最小值为 SLIMT1 * XT；ERODS（εf）为等效失效应变，是 *MAT_58 材料模型单元删除的唯一判据，其表达式参考 Von-Mises 应力，不考虑偏应变的影响，为单元发生失效时的 Von-mises 应变。

E11T, E11C, E22T, E22C 和 GMS 为材料在对应强度下的应变，其控制材料各方向应力-应变曲线的软化程度，能够显著影响应力-应变曲线中斜率的变化趋势，需要谨慎设置。

SOFT 是一个有限元模型维数数值稳定性的数学意义上的参数，在物理层面上被称为峰值缩减系数，能够模拟失效区域周边未失效单元的强度缩减行为。SOFT 取 0 代表失效区域周边单元无法承受载荷，取 1 代表单元保持原有强度不变；SOFT 能够直接影响有限元模型的结果，一般通过试错法得出。

表2 MAT_58输入主要参数

3.1 单单元测试

在复杂的产品仿真之前，通过单单元测试对材料模型进行“体检”至关重要。该测试在软件中建立一个单独的有限元单元，模拟单轴拉伸、压缩或剪切载荷，用以孤立地研究每个参数对应力-应变曲线形态的独立影响。

在 *MAT_58 材料模型参数中，除去拉伸强度和拉伸模量等本构参数，能够对材料的应力-应变曲线产生影响的还有 FS、E11T、SLIMT1 和 ERODS，因此分别改变这四个参数的值，研究其对材料的力学响应的影响。

图 4(a) 为单单元模型在不同 FS 下的应力-应变曲线，图中不同的 FS 所对应的曲线重合，这是因为在没有剪应力参与的条件下，不同的 FS 所控制的纤维拉伸失效准则可以被简化为最大应力准则。

图 4(b) 为单单元模型在不同 E11T 下的应力-应变曲线。从图 4(b) 中可以观察到：E11T 为材料纤维抗拉强度所对应的应变；E11T 极大地改变了材料的力学响应，E11T 越大，曲线的峰前和峰后软化响应越明显；拉伸应力-应变曲线的形状直接取决于 E11T 与 XT/E11 的接近程度；本文使用的碳纤维/环氧树脂复合材料在拉伸与压缩工况下均有明显的弹脆性特征，因此 E11T、E11C、E22T 和 E22C 的数值应设置为试验的断裂应变，以保证最小程度的峰前软化，对于剪切非线性工况，GMS 的设置需要进一步研究。

如图 4(c) 所示，SLIMT1 改变了单单元模型应力-应变曲线的峰后响应，与前文提到的相符，该参数与抗拉强度 XT 一起定义了一个峰后软化平台应力，大小为 XT * SLIMT1。

图 4(d) 为改变等效失效应变 ERODS，对进行计算并与曲线结果进行比较，发现单元删除的位置与 ERODS 数值一一对应，验证了该参数含义的准确性。