一．Mucell与多尺度材料建模技术

随着轻量化的概念在各个行业中的得到普遍的接受，制造更轻更省油的交通工具，生产更轻便的工具成为了各行业普遍追求的目标。Mucell微发泡技术正是在这样的技术潮流中诞生的一种轻质材料成型技术。通过在塑料材料内部原位发泡，可以生成这种多孔材料，同时由于这种发泡过程是在材料注射过程中发生的，因此发孔和成型同时完成，从而可直接获得最终产品。这种技术目前已经逐步在诸多民用领域得到应用，例如汉高生产的汽车B柱填充增强物就采用了这种原位发泡技术。

Mucell工艺合成的材料降低材料密度和减少材料用量的同时也会对材料性能造成一定的影响。因此Mucell材料的选择实际上是在减重和降低机械性能之间的一种权衡，即在满足基本机械性能要求的前提下最大程度的追求比强度、比模量以及最低的成本。普通的Mucell材料，即在单质树脂基体上原位发泡的材料，通常在降低密度的同时，刚度和强度会有少量的降低，但断裂应变会受到较大幅度的影响。下图为PP材料发泡后的性能变化图（来自Microcellular Processing, Kelvin， Okamoto 2003年著）。

为了改善普通Mucell材料的性能，基于短切纤维增强树脂的原位发泡技术成为Mucell技术的一种新发展。实验数据表明，基于短切纤维增强塑料进行原位发泡在降低材料密度的同时，对材料刚度和强度只有轻微削弱，同时断裂应变也不会受到严重的削弱，甚至由于球型空洞的存在对纤维夹杂造成的应力集中有缓解作用，因此断裂应变甚至有轻微提高的可能。下图为33%的玻璃纤维增强PBT经发泡后的材料性能变化（来自Microcellular Processing, Kelvin， Okamoto 2003年著）。

无论对于普通的Mucell材料还是加纤的Mucell材料，发泡都会对材料的性能造成影响，并且由于发泡过程是与注塑过程同时发生的，因此通常Mucell材料制造的结构上早成型的部位孔隙的尺寸较小，晚成型的部位孔隙的尺寸较大，这就使得孔隙含量在结构上存在明显差异，这就导致材料性能也在结构各处有明显差异，因此这种材料对传统的CAE技术具有较大的挑战。

Digimat所使用的多尺度材料建模技术能够有效应对这一问题。通过改进的Mori-Tanaka法能够准确预报孔隙夹杂条件下材料的非线性性能；通过与模流软件（如Moldex3D）的耦合，能够将模流软件计算出的发孔情况映射到结构网格的每一个积分点上；通过细观力学算法与有限元法的紧耦合迭代可以实现针对有限元模型的每个积分点，基于映射得到的孔隙率单独计算材料性能，从而实现对Mucell材料制造的结构性能的准确预报。

本文将以普通Mucell材料为例，介绍多尺度分析技术在此类材料的结构性能分析方面的应用。

二．Mucell结构的多尺度分析技术

下图为一个Mucell工艺成型的典型容器的示意图，模型及模流分析结果由台湾科盛公司（Moldex3D）提供，容器底部中心为注塑口。