经验分享 | 为什么复合材料低速冲击仿真总是“算不准”？从5种仿真材料卡片模型说起

复合材料仿真能否算准，很大程度上取决于材料参数、仿真材料卡片模型与真实损伤机制能否匹配。

在汽车轻量化、航空航天、轨道交通、储能装备等领域，碳纤维增强复合材料正越来越多地应用于承载结构和功能部件。但对复合材料研发人员和仿真工程师来说，一个问题并不陌生：

为什么同一块复合材料板，试验中看到的损伤范围并不大，仿真却可能算出一大片损伤？

为什么只是更换一个 MAT 卡，结果就会发生明显变化？甚至从二维壳单元升级为更复杂的三维模型，计算量大幅增加，结果却未必更准确？

这并不完全是"参数没有调好"。复合材料在低速冲击过程中，可能同时发生基体开裂、纤维断裂、纤维—基体界面脱粘和层间分层等多种损伤。不同仿真材料卡片模型采用的失效准则和损伤演化方式不同，对这些失效模式的描述能力自然也存在差异。

发表于《Journal of Aerospace Engineering》的一项研究，对 MAT22、MAT54、MAT55、MAT58 和 MAT59 五种仿真材料卡片模型进行了系统比较。研究人员采用单向碳纤维增强环氧树脂层合板，在 5 J 和 10 J 两种低速冲击能量下开展试验，并分别建立二维和三维有限元模型，将不同仿真材料卡片模型预测得到的损伤结果与实际试验结果进行对比。

这项研究真正值得关注的，并不是简单回答"哪一个 MAT 卡最好"，而是揭示了一个很典型的工程问题：复合材料仿真能否算准，很大程度上取决于材料参数、仿真材料卡片模型与真实损伤机制能否匹配。

一、低速冲击最难的，不是判断"坏没坏"，而是判断"怎么坏"

复合材料的冲击损伤与金属材料有一个很大的不同。金属结构受到冲击后，往往可以通过塑性变形、凹陷等外观变化判断损伤程度；而对于碳纤维增强复合材料，即使外表面只有轻微压痕，其内部也可能已经出现基体裂纹、界面脱粘甚至层间分层。

这项研究采用 IM7/8552 单向碳纤维/环氧树脂层合板，共 16 层 0°铺层，试样尺寸为 114 mm × 114 mm，总厚度 2.54 mm，并分别开展 5 J 和 10 J 低速冲击试验。

▲ 图 1 IM7/8552 单向 CFRP 层合板试样及铺层结构

在 5 J 冲击条件下，试样冲击位置最大压痕不超过 0.50 mm，但主要损伤已经表现为沿纤维方向扩展的基体开裂，同时冲击位置下方还存在局部分层，而没有观察到明显的纤维断裂。

（a）

（b）

▲ 图 2 5 J 低速冲击下层合板损伤演化（a）及实际裂纹形貌（b）

当冲击能量增加到 10 J 后，损伤机制明显发生变化，不仅出现基体开裂，还伴随纤维断裂以及较大范围的分层。

（a）

（b）

▲ 图 3 10 J 低速冲击下层合板损伤演化（a）及实际损伤形貌（b）

因此，5 J 和 10 J 看起来只是冲击能量发生了变化，但对于有限元模型而言，实际需要描述的已经不是完全相同的失效问题。

5 J 更偏向基体开裂和层间损伤，而 10 J 条件下则开始出现纤维断裂、基体失效和分层共同作用。

这也是低速冲击仿真的第一个难点：仿真不仅要判断材料有没有失效，还要正确判断究竟是哪一种失效机制在主导。

二、同样是复合材料，5 种仿真材料卡片模型的损伤逻辑并不一样

研究比较的 5 种仿真材料卡片模型分别为 MAT22、MAT54、MAT55、MAT58 和 MAT59。虽然它们都可以用于复合材料失效分析，但底层理论和损伤处理方式并不相同。

MAT22 基于 Chang–Chang 失效理论，可以预测基体开裂、层合板压缩和纤维断裂；在采用三维实体单元时，还增加了分层失效模式。

MAT54 和 MAT55 可以看作 MAT22 的增强版本。其中，MAT54 仍以 Chang–Chang 失效准则为基础，同时引入更多失效应变参数；MAT55 则在基体失效方面采用 Tsai–Wu 准则。

MAT58 则采用了不同的思路。它基于连续损伤力学（Continuum Damage Mechanics，CDM），认为微裂纹、空洞等损伤会逐渐导致材料刚度退化，因此能够以更加连续的方式描述损伤演化，而不是简单地在达到某个阈值后突然失效。

MAT59 则采用渐进失效思路，根据不同单元形式使用不同的失效面理论。

所以，即使输入的是同一套基础材料参数，使用不同仿真材料卡片模型后，预测得到的损伤区域也完全可能不同。真正需要考虑的并不是"哪个 MAT 编号更高级"，而是：所选择的仿真材料卡片模型，是否能够描述材料实际发生的那一种损伤。

三、为什么低能量冲击反而更难"算准"？

这项研究中一个很值得关注的结果是：并不是冲击越严重，仿真就越难。在 5 J 低能量冲击情况下，五种仿真材料卡片模型与实验结果整体上的吻合程度反而较差。

论文摘要明确指出，当损伤以基体开裂为主导时，各仿真材料卡片模型及其失效准则与实验结果之间的相关性普遍较弱。

5 J 实验得到的平均损伤长度约为 68 mm，平均损伤面积约为 680 mm²。但采用不同仿真材料卡片模型进行二维计算后，预测结果差异非常明显。

▼ 表 1 5 J 冲击下不同仿真材料卡片模型预测损伤面积对比

▲ 图 4 5 J 冲击下不同仿真材料卡片模型预测损伤区域与实验结果对比

（a）MAT22；（b）MAT54；（c）MAT55；（d）MAT58；（e）MAT59；（f）实验结果

这张图非常直观地说明了一件事：材料参数之外，"选哪一张材料卡"本身，就可能显著影响最终仿真结果。

研究还指出，这些仿真材料卡片模型对于分层损伤的描述能力存在明显局限。除采用三维实体单元的 MAT22 以外，研究中其他模型都缺少专门用于预测分层损伤的失效模式。而 5 J 条件下恰恰又以基体开裂和局部分层为主，因此模型更加容易出现偏差。

这也解释了为什么有时候实际试样表面看起来"伤得不重"，但仿真反而很难准确复现其内部损伤。

四、MAT54 为什么容易出现"参数一变，结果就变"？

MAT54 是复合材料碰撞和冲击仿真中比较常见的一类仿真材料卡片模型。但它有一个值得特别关注的特点：对部分失效参数比较敏感。

除了基础弹性参数和强度参数外，MAT54 还允许输入 DFAILT、DFAILC、DFAILM、DFAILS 等失效相关参数。这些参数实际上会影响材料从损伤萌生、刚度退化到最终失效的整个过程。

例如 BETA 参数。当 BETA=0 时，纤维拉伸失效判断更接近最大应力准则；当 BETA=1 时，则更接近 Hashin 准则。研究发现，在 10 J 冲击条件下，仅仅改变 BETA 的设置，预测损伤面积就可以产生约 15% 的差异。

▲ 图 5 MAT54 中 BETA 参数变化对冲击损伤预测结果的影响

（a）实验结果；（b）BETA=0；（c）BETA=1

另一个典型参数是 DFAILM。DFAILM 用于描述基体最大拉伸或压缩应变。研究分别设置 0.006、0.017 和 0.028 进行计算，不同参数同样导致了明显不同的损伤预测结果。

▲ 图 6 MAT54 中 DFAILM 参数变化对冲击损伤预测结果的影响

这实际上提醒了仿真工程师一个非常重要的问题：材料卡并不是把几个常规力学参数填进去就结束了。如果失效参数缺少可靠的实验依据，只是为了让仿真云图"看起来更像实验"而不断调参，那么最终建立的可能只是针对某一次试验结果的拟合参数，而不一定真正具有预测能力。

换句话说："能拟合"并不等于"能预测"。

五、三维模型一定比二维模型更准确吗？

仿真中还有一个非常常见的误区：模型越复杂，计算结果就一定越准确。这项研究分别建立了二维壳模型和更加复杂的三维模型。二维层合板模型包含 20,449 个壳单元；三维增强模型则包含 327,184 个单元。

（a）

（b）

▲ 图 7 层合板二维壳模型（a）与三维模型示意（b）

理论上，三维模型能够进一步描述厚度方向的应力梯度以及复杂的泊松效应。但模型复杂以后，也会带来新的数值问题。论文指出，采用三维实体型单元时，更容易出现零能量变形模式，也就是常说的沙漏模式（hourglassing），以及剪切锁死（shear locking）等数值问题。为了抑制这些问题所进行的数值处理，还可能人为增加层合板的面外弯曲刚度，从而反过来影响整个结构的力学响应。

更值得关注的是：该研究中的三维模型平均需要约 14 倍 CPU 计算资源，但预测精度并没有显示出与计算成本相匹配的明显提升。因此，对于实际工程而言：模型复杂度并不等于模型可靠度。单元形式、网格尺寸、仿真材料卡片模型以及失效准则，都需要围绕实际材料行为和工程问题进行选择。

六、为什么 10 J 的结果反而有所改善？

当冲击能量增加到 10 J 之后，层合板已经出现明显的纤维断裂、基体开裂和分层共同作用。实验得到的平均损伤长度为 89 mm，平均损伤面积约 890 mm²。与 5 J 相比，不同仿真材料卡片模型的整体预测效果反而有所改善，尤其是 MAT58 和 MAT59（参见图 4）。

如果从冲击能量吸收角度来看，这种差异更加直观。实验测得 10 J 冲击条件下层合板平均吸收能量为 8.82 J。MAT55 预测为 8.80 J；MAT58 预测为 8.34 J；MAT59 预测为 9.01 J。对应误差分别约为 0.2%、5.4% 和 3.1%。

▲ 图 9 不同仿真材料卡片模型冲击能量耗散预测对比

这说明，当冲击能量提高、纤维断裂逐渐成为重要的能量耗散机制以后，部分强度型失效准则反而更容易捕捉这种宏观损伤。相比之下，低能量阶段出现的基体微裂纹、界面损伤和局部分层，对仿真材料卡片模型提出了更高要求。

七、启示是什么？

如果只看最终结论，很容易把答案简单概括成：MAT58 表现比较好。但对于实际 CAE 工程而言，这显然不是最重要的结论。

论文确实发现，基于连续损伤力学的 MAT58，在损伤区域形状和面积预测方面总体表现较好，特别是在二维壳单元条件下表现出较好的综合预测能力。但这项研究真正带来的启示是：材料卡不能脱离试验单独建立。

真正决定仿真结果可靠性的，并不是 MAT 编号本身，而是一条完整的数据链：

材料测试 → 参数获取 → 仿真材料卡片模型选择 → 参数识别与拟合 → 材料卡建立 → 仿真计算 → 实验验证

例如，在一个碰撞仿真项目中，仅仅知道材料的拉伸强度显然不够。如果需要描述应变率效应，就需要获取不同加载速率下的材料响应；如果需要描述聚合物拉伸与压缩行为的差异，就需要补充压缩、剪切等试验；如果需要模拟纤维增强复合材料的失效，则还要进一步获取不同方向的弹性参数、拉伸和压缩强度、剪切强度以及相应的失效参数。

因此，仿真真正需要的并不是一张简单的"材料性能表"，而是：一套能够被仿真材料卡片模型识别，并能够尽可能反映材料真实力学行为的数据体系。

八、CAE 真正需要什么数据？

随着材料研发与 CAE 仿真的结合越来越深入，分析测试的价值也在发生变化。过去，很多测试工作的目标是回答："这个材料性能是多少？"但面向 CAE 仿真时，还需要进一步回答："这些测试数据能否转化为仿真真正可以使用的材料参数？"

不同材料体系、不同结构形式以及不同失效问题，需要匹配不同的仿真材料卡片模型，而每一种仿真材料卡片模型所需要的实验参数也并不完全相同。

例如，常用的MAT24、MAT187、MAT169、MAT83和MAT55，就分别面向不同类型的材料和力学行为。

▼ 表 2 典型仿真材料卡片模型与所需测试数据

也就是说，不同材料卡需要的并不是同一套固定项目，而应该根据材料本身以及仿真目标设计测试方案。如果只是把普通材料检测报告中的几个参数直接填入仿真软件，很多时候并不足以支撑碰撞、冲击、断裂或大变形过程的准确模拟。

九、不只是"测参数"，而是让测试数据真正进入仿真

面向 CAE 研发，材料测试可以进一步向"仿真材料数据"延伸。

首先是材料特性参数测试。根据材料体系开展拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击等力学性能测试，获得材料真实的力学响应。进一步还可以根据仿真工况考虑不同温度、不同应变率、不同加载方向等因素。

在获得实验数据之后，还需要进行数据处理和参数识别。例如将工程应力—应变数据转换为仿真建模所需要的曲线形式，对不同工况下的材料响应进行拟合，并结合所选仿真材料卡片模型识别对应参数。

随后才是仿真材料卡片建立。根据 MAT24、MAT187、MAT169、MAT83、MAT55 等不同仿真材料卡片模型的输入要求，将测试得到的数据转化为仿真可以调用的材料参数和曲线。

而材料卡建立完成之后，也并不意味着工作结束。对于关键材料和关键应用，还需要通过拉伸、冲击或者部件级试验结果，与有限元计算结果进行对比，进一步判断材料卡是否能够真实反映材料行为。

材料特性测试 → 数据处理 → 参数识别 → 曲线拟合 → 仿真材料卡片建立 → 仿真计算 → 试验相关性验证

这也是为什么很多情况下，仿真"算不准"的问题，最终仍然需要回到材料实验本身。

十、国高材分析测试中心仿真服务

面向汽车、航空航天、电子电气、新能源等领域的 CAE 研发需求，国高材分析测试中心可围绕高分子材料、复合材料、结构胶、泡沫及其他工程材料，开展材料特性参数测试、本构参数识别、材料曲线拟合及仿真材料卡片构建等相关技术服务。

针对不同材料体系和仿真场景，可围绕 MAT24、MAT187、MAT169、MAT83、MAT55 等典型仿真材料卡片模型，设计相应的材料特性参数测试方案，并根据实验结果开展参数处理、曲线拟合和材料卡构建。对于有进一步仿真验证需求的研发项目，还可以结合材料级或结构级试验，对材料卡计算结果与实际测试结果进行相关性分析，为后续结构设计、碰撞仿真、冲击分析以及失效预测提供更加可靠的材料数据基础。

参考文献

[1] Rossi, T. A., Fayazbakhsh, K., Fawaz, Z. Application of LS-DYNA Constitutive Material Model Laws to Simulate Low Velocity Impact Damage to Composite Plates. Journal of Aerospace Engineering, 2020, 33(6): 04020065. DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001171.

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