材料选择 | 新材料之光照亮前进之路

本文原刊登于Ansys Blog：《Lighting the Path Ahead with New Materials》

作者：Scott Wilkins | Ansys 首席产品营销经理

编辑整理：叶一帆 | Ansys 高级应用工程师

使用Ansys Granta MI材料数据管理软件，您能够访问综合全面的数据，例如MaterialUniverse™数据集，其中包含了面向数千种工程材料的技术、经济和环境信息；还有先进的Global Polymer库，包含了100,000多种聚合物牌号的详细信息（其中包括来自SABIC的聚合物）。

SABIC是全球领先的石化产品制造商，生产应用于汽车前灯的高性能聚合物。在汽车应用等众多项目的设计流程中，通过使用Granta和Ansys多物理场仿真工具，用户可以实现无缝的材料选择。

SABIC提供一系列材料解决方案，其中包括耐高温解决方案的ULTEM™树脂系列、LNP™化合物和PC共聚物树脂、NORYL™树脂等。用户不仅可以在Granta MI Enterprise和Ansys Granta Selector的材料库中获得这些材料的数据，也可以将其轻松导出到各种Ansys仿真平台。

ULTEM聚醚酰亚胺（PEI）树脂被广泛用于各行业的多种应用，包括电子、汽车、医疗、工业设备和基础设施。这些树脂牌号通常可注塑成型为所需的几何形状，从而实现工业量级的大规模生产。

汽车前灯的造型设计是汽车品牌识别的重要部分。尽管LED等新技术可提供高性能和自适应照明，但也为制造商带来了新的设计挑战。这些设计涉及高度的几何复杂性和众多组件。LED和电子组件产生的高温会影响几何形状，进而影响照明性能。相关汽车规范严格规定了前灯光束在使用中可以偏离的距离，以避免给迎面来车的驾驶员造成眩目。

图1：SABIC推出了各种品牌材料解决方案，包括ULTEM™树脂、LNP™化合物、NORYL™树脂、LEXAN™共聚物和EXTEM™树脂。这里展示了精选的SABIC ULTEM树脂

SABIC的ULTEM树脂可充分满足数字矩阵前灯的耐高温设计要求（高达230℃）。此外，该材料的尺寸稳定性和低释气性能可与金属和玻璃材料解决方案相媲美，但其重量更轻。潜在的数字矩阵LED前灯应用包括镜筒、垫片、支架、反射镜和数字微镜器件（DMD）插座。

在开展实际的生产制造和测试之前，使用数字模型来验证性能和可制造性已成为一种行业规范，这样做有助于减少重新设计、确保满足开发时限、并实现成本目标。通过访问高质量、完整且可比较的多点材料数据，工程师和设计人员可以确保虚拟验证的准确性，从而让他们能够更加信心十足地完成设计流程，减少设计错误和后续产品故障。

同样地，多物理场方法深受工程师青睐。好消息是，SABIC与Ansys合作提供关于ULTEM树脂的详细材料信息，可直接用于主要的Ansys求解器。这些数据包括应力-应变和蠕变曲线等非线性力学属性，以及随温度变化的热电数据。用户可以在Granta MI和Granta Selector中的Global Polymer材料库中获取ULTEM材料数据，并将其导出到Ansys仿真平台，包括Ansys Workbench和Ansys Mechanical。

汽车制造商并不是唯一想要在光学设计中探索多物理场的群体。去年，一个大学生团队利用Ansys多物理场工具设计了一辆太阳能赛车，包括使用Speos开展前灯设计。利用Speos，该团队设计出了符合大赛规则且能耗更低的车灯。这不仅可以提高发动机出力，而且还能够显著减少过热问题。因此，更智能的材料选择有助于设计更小巧、更低成本的车灯。与此同时，该团队还使用Mechanical开展结构分析，并使用Ansys Fluent进行计算流体动力学（CFD）仿真。

现在，让我们以如何选择ULTEM树脂为例，来探索Granta-SABIC工作流程。

通过结合使用Granta仿真材料数据（包括SABIC聚合物）以及Ansys多物理场仿真工具，您可以完成完整的汽车前灯设计。

步骤：

1. 从Granta材料数据库中找到并选择所需的ULTEM树脂

2. 查看所有可用数据，包括热分析

3. 将其导出至您选择的仿真应用中。例如，设计人员经常使用Workbench仿真集成平台，以整合Mechanical来解决结构和温度相关的问题

4. 根据需要集成其它多物理场工具，例如Ansys Icepak电子冷却仿真软件或Ansys Speos光学设计与验证软件

5. 将树脂指定为Granta MI中的首选材料

图2：在Ansys Granta MI Enterprise Gateway中指定并保存推荐或首选的材料

得益于能够从同一平台选择材料和创建模型，设计人员可以实现高质量设计，在整个设计流程中跨应用比较材料，以确保选择最佳的材料，并提高虚拟验证的准确性。

例如，ULTEM树脂支持需要大规模加工的严苛产品设计。它具有独特的高耐热性、稳定的绝缘性、高强度、高刚度和尺寸稳定性等各种优势。这种树脂本质上是无卤素并阻燃的，同时具有红外（IR）透明性、水解性和化学稳定性。

Granta MI Enterprise可完全嵌入到业界领先的系统中，包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和产品生命周期管理（PLM），以确保在各设计流程中准确应用材料数据和属性。

此外，无论是测试数据还是仿真软件，Granta都能够确保数据和结果完全可追溯。数据始终与仿真模型相关联，这允许用户对馈送到仿真中的数据和分析历史进行追踪。这样，工程师和设计人员能够提高仿真结果的置信度，从而更方便在后期开展进一步分析，并为仿真工作中包含的企业知识产权（IP）提供保护。