材料設計的案例
關于復合材料設計清單
1、復合材料的結構設計基礎:
復合材料本身是非均質、各向異性材料，因此，復合材料力學在經典非均質各向異性彈性力學基礎上得到迅速發展。
復合材料不僅是材料，更確切的說是結構。
2、固體力學：一次結構、二次結構、三次結構。
1）一次結構是指由基體和增強材料復合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區的性能
2）二次結構是指由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設方向、鋪層序列)
3）三次結構是指通常所說的工程結構或產品結構，其力學性能決定于層合體的力學性能和結構幾何。
3、復合材料的設計：
1）結構設計：確定產品結構的形狀和尺寸；
2）鋪層設計：對鋪層材料的鋪層方案做出合理安排，決定層合板性能；
3）單層材料設計：正確選擇增強材料、基體材料及其配比，決定單層板的性能。
4、復合材料結構設計過程
1）復合材料結構設計是選用不同材料綜合各種設計（如層合板設計、典型結構設計、連接設計等）的反復過程；
2）需考慮的一些主要因素：結構質量、研制成本、制造工藝、結構鑒定、質量控制、工裝模具的通用性、設計經驗；
3）明確設計條件：如性能要求、載荷情況、環境條件、形狀限制等；
4）材料設計：包括原材料選擇、鋪層性能的確定、復合材料層合板的設計等；
5）結構設計：包括復合材料典型結構件（如桿、梁、板、殼等）的設計，以及復合材料結構（如剛架、硬殼式結構等）的設計。
5、復合材料結構設計條件：
1）結構性能要求：結構所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內的安全；
提供裝置各種配件、儀器等附件的空間。
展開 復合材料結構設計基礎
（鋪層設計，或層合板性能設計）
結構設計——根據結構安全性計算分析確定結構尺寸和壁厚
二、復合材料結構設計基本方法
1）復合材料產品設計過程
2）復合材料產品設計的內容
◆性能（材料）設計
根據產品的技術要求和使用條件，對組分材料進行選擇、對復合材料的性能（包括力學性能、物理性能、化學性能等）進行設計。具體的內容包括增強材料、基體材料、功能輔助材料的選擇；組分比設計；鋪層設計等。（一次結構和二次結構設計）
◆結構設計（三次結構設計）
根據載荷、介質、環境條件，結合工藝與材料性能，通過計算分析與強度、剛度、穩定性校核，設計出不使產品發生破壞和過大變形的產品尺寸，既確保安全，又減少材料消耗。
◆工藝設計
針對產品的特點、性能要求和數量，選擇合適的成型工藝方法，使該產品不僅成型方便、質量穩定，而且成本較低。
在產品設計過程中，以上三個方面相互關聯，是一個有機的整體，必須同時進行。在材料設計時要考慮到其工藝性，結構設計中包含了材料設計，材料與結構往往在同一工藝過程中一次成型。
3）復合材料結構設計基本方法
A）結構計算方法
◆解析法（按設計標準進行設計）
考慮到材料的各向異性，通過適當的簡化，采用材料力學、結構力學、板殼力學的方法，或者完全復合材料力學方法，計算結構的受力與變形情況，從而確定結構的壁厚尺寸。
該方法簡便，易被工程界所接受。目前一些標準化的復合材料產品，其設計標準都是采用這種方法。但是，對于有些結構復雜的產品或異形結構產品，很難對產品結構進行整體計算分析。
展開 深度學習賦能的熱學超材料智能設計
來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
通過設計熱學超材料的結構構型，可實現熱流的操縱與控制，從而獲得超常熱功能，如：熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉等。熱學超材料設計涉及高維設計空間、多個局部極值、巨大計算成本，以及熱學屬性與單胞結構間多種對應關系等，這給熱學超材料的智能設計帶來了巨大的挑戰，因此，開發出自動、實時、可定制化地設計熱學超材料的方法十分重要。
02
成果掠影
近日，華中科技大學高亮教授團隊關于熱學超材料拓撲優化設計的最新研究成果提出了深度學習賦能的熱學超材料拓撲優化設計方法，實現了自由形狀熱學超材料的智能設計。設計的“熱隱衣”可屏蔽外部溫度場對器件內部物體的干擾，實現主動隔熱，可用于熱敏元器件的熱防護。該方法采用深度生成模型，將拓撲功能單胞概率表示在隱空間，根據熱學超材料的定制功能需求，可自動、實時地生成具有目標熱傳導張量的拓撲功能單胞，進而快速生成熱學超材料。基于上述思路，研究團隊設計了多種具有自由形狀、背景溫度獨立、全方向功能的熱隱身超材料，并通過數值仿真和熱學實驗驗證了其良好的熱隱身效果。該研究工作也為熱學超材料的智能設計提供了全新思路，可靈活實現不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學超材料的快速設計，解決了傳統熱學超材料設計中大規模有限元計算與反復優化迭代所帶來的計算效率低的難題，進一步推動了熱學超材料在航空航天、電子等領域的工程應用。相關研究成果以“Deep-Learning-Enabled Intelligent Design of Thermal Metamaterials”為題發表于《Advanced Materials》。
展開 復合材料結構設計手冊
復合材料結構設計手冊
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常用復合材料設計模擬軟件特點匯總
ESAComp軟件是專業的復合材料設計分析軟件系統 , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學輕型結構材料實驗室開發完成。其目標為開發成一種可以在統一界面下包含所有復合材料分析和設計能力的軟件工具。ESAComp 具有基于微觀力學分析的廣泛的實體 / 夾層板分析、設計能力，而且它包含了針對單層板、層壓板、加筋板、梁和柱體，以及膠接和機械連接等等各種復合材料結構形式、連接形式的分析工具。具有同目前廣泛使用的各種有限元軟件包的交互接口，從而使 ESAComp 同設計過程實現了無縫結合。
ESAComp 是專業的復合材料設計分析工具，具有友好的圖形化用戶界面，多重分析和圖形化結果顯示，多級別的專業數據庫， 同目前廣泛使用的各種有限元軟件包的銜接能力，支持用戶定制的擴展功能。雖然該軟件起源于航空、航天領域，但是已經被開發成適用于復合材料研發人員的通用工具。
VISTAGY公司開發的FiberSIM是專門用于復合材料構件設計和制造的工具。在三維模擬環境中，工程師可以使用此軟件建立復合材料部件完整的數字產品定義。FiberSIM支持整個產品開發過程，還有多種材料的靈活設計方法和制造方法。該軟件可以模擬復合材料在復雜曲面上的變形，產生制造信息，這些信息包括文檔、平展模型和驅動下游生產設備所需要的數據。它支持包括手糊、模塑、預浸帶ESAComp軟件是專業的復合材料設計分析軟件系統 , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學輕型結構材料實驗室開發完成。其目標為開發成一種可以在統一界面下包含所有復合材料分析和設計能力的軟件工具。
展開 聚氨酯復合材料電桿的結構設計與分析
?但混凝土屬于脆性材料，抗拉強度低，使電桿的抗彎、抗震性能和抗沖擊性能差，在臺風作用時，極易損壞，造成經濟損失和人員傷害，也造成了供電中斷與電力維修困難。
?混凝土結構重量大，運輸與安裝也不方便。
2.聚氨酯樹脂的特點
?聚氨酯（PU）的分子結構中含有氨基甲酸酯基團（—NH—COO—），擁有良好的力學性能（輕質高強高模量，斷裂延伸率大，耐沖擊），優異的耐酸堿、紫外線和大氣老化性能；成型方便、環保（無苯乙烯揮發）。
?纖維纏繞聚氨酯復合材料電桿的優越性能：
（1）質量輕，容易運輸、搬運和安裝；
（2）彎曲強度大，斷裂延伸率大，抵抗臺風等的彎曲應力；絕緣性能好；
（3）耐候性能好，抵抗風吹日曬等惡劣環境。
二、聚氨酯復合材料電桿的結構設計
1. 復合材料產品設計特點：材料結構設計一體化。
（1）性能設計：充分考慮最終產品的使用目的和使用條件，使設計出復合材料產品與設計要求相同。
（2）結構設計：強度、剛度與穩定性計算。根據所承受的載荷及使用環境，設計出確保材料安全可靠經濟的結構尺寸。是選用不同材料，結合工藝，在各種載荷組合工況下的力學計算與鋪層的反復過程。
（3）工藝設計：應盡可能使結構成型方便、成本低廉。
這三者相互關聯，不能截然分開。結構設計包含了材料設計的所有內容，是復合材料產品合理設計和降低成本的關鍵。
2. 復合材料電桿的結構設計特點與必要性
（1）雖然電桿的幾何形狀簡單，但和所有復合材料結構一樣，材料為各向異性材料，極具可設計性。
（2）電桿具有較大的錐度：1/75；纏繞工藝和等直桿不同，使得結構設計中不同截面的材料參數和幾何參數不同。事實上，工藝參數的不同，導致材料的力學性能不同，也導致結構力學行為的迥異。
展開 全球頂尖復合材料設計分析公司正式進入中國市場
每次提到工程設計的精妙之處，Engenuity的技術總監Ian Coles先生臉上就會難掩興奮的表情，“有時候我們的工作讓我們覺得自己就像是一個宣講者，雖然我們知道其實我們是正兒八經的工程師”，帶著英國人獨有的幽默他說道：“任何一個制造者都知道好的設計和精密的工程是一個好的工業產品得以變成現實的先決條件，對于充滿無限組合和可能性的復合材料更是如此，因此也更顯示了我們現在所做的工作的重要性”。
Engenuity有著超過25年的復合材料設計分析及產品開發經驗，其主要業務范圍包括：復合材料篩選與開發，綜合材料測試與表征，有限元材料模型驗證，失效模式開發，有序和無序鋪層設計，TP&TS矩陣系統，固化形變表征以及汽車模擬仿真碰撞測試等多個領域；擁有多項發明及專利，客戶涵蓋了F1，勒芒，Supercars等幾乎所有的頂級汽車賽事以及賓利，寶馬，奔馳，捷豹路虎，尼桑等眾多國際知名汽車主機廠。據市場調查數據顯示，Engenuity在復合材料標定，設計及仿真測試方面的全球市場份額約為30%，剩余的份額則由科研機構及專業院所等占有，可以說在商業實踐應用領域內力拔頭籌，遙遙領先。
復合材料值得更多的信心
Confidence with composite是Engenuity一直致力推廣的理念之一，翻譯成中文可以理解為給予復合材料更多應得的信心。
展開 封偉教授編著的《智能導熱材料的設計及應用》由清華大學出版社出版發行
研究主要包括微納材料結構設計、導熱納米粒子的定向控制、高導熱智能材料設計、高新熱管理應用技術、芯片智能導熱材料設計及應用等,為智能導熱材料的突破和發展奠定了基礎。
天津大學封偉教授帶領的功能有機碳復合材料研究團隊，10多年來圍繞碳納米材料和功能高分子的制備、結構調控、多尺度復合及力學和導熱性能開展創新研究,近年來在智能導熱復合材料的前沿創新領域,掌握了導熱結構設計、碳納米材料的可控制備、界面結構修飾及多尺度可控復合等多項關鍵技術。
END
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展開 Altair 在 JEC World 展會上展示針對復合材料的仿真驅動設計方法、軟件及服務解決方案
Altair 將在今年的巴黎 JEC World 展會上接待合作伙伴Componeering和 HBM nCode并展示在HyperWorks中無縫集成 Multiscale Designer
2016 年 2 月 24 日，TROY（美國密歇根州）/美通社/ -- Altair將參加 3 月 8 日至 10 日在巴黎舉行的復合材料行業最大規模的國際展會 JEC World。屆時，Altair 將展示各種面向復合材料設計和優化的軟件與服務解決方案，以及客戶成功案例。
復合材料的應用范圍幾乎覆蓋所有行業，因為此類材料不僅具備良好且可定制的結構特征，而且可滿足許多種類產品的輕量化設計需求。但是，由于需要經過特殊的設計和開發過程才能完全發揮復合材料的優勢，所以想要真正應用復合材料難度不小。Altair 擁有超過 20 年的專業優化經驗，在業內享有盛譽，為客戶提供面向復合材料設計與優化的強大工具與深厚專業知識。工程師們可以在 Altair 解決方案的引導下為鋪層式和蜂窩式復合材料結構實現最優材料布局，并進行優化產品設計。
今年 Altair 展位的最大亮點將是采用 TCA Ultra Lite?和碳纖維樹脂傳遞模塑 (RTM) 復合材料的多材質汽車行李箱蓋。這款行李箱蓋由 Continental Structural Plastics 使用 Altair 的優化解決方案研制而成，并剛剛獲得 2016 年的 JEC 創新獎。展示區的“運動休閑天地”(Sport & Leisure Planet) 部分將向參觀者介紹世界最輕、最堅固的公路自行車Rolo Bike，這款自行車為碳纖維材質，在 Altair 復合材料優化軟件和服務的支持下打造而成。
Altair 在 2015 年 4 月收購了 MDS 的開發者 Multiscale Design Systems。
展開 從經典熱力學到CALPHAD和ICME方法 材料設計和開發時代已經離我們越來越近
圖10 不同位置氧原子的Gibbs自由能差值與溫度的變化關系
圖11 氧和不同Pt-Pd團簇的相穩定性曲線
在微觀組織演變模擬方面還有一些重大的研究成果，比如，細胞自動機、蒙特卡羅模型和基于熱力學驅動力和有序勢的相場（Phase-Field）模擬是研究二維和三維空間中各向異性、彈性應變能等因素對沉淀組織形態演變影響的有力工具，但三維結構模型的構建通常比較復雜且耗費大量時間，不利于工業化應用，因此建立實用的3D微觀結構模型在設計階段初期預測新材料或部件的機械和物理性能還需要繼續努力研究[6,7]。
材料設計和開發的未來將基于ICME方法，ICME是將材料設計、制造工藝設計和系統設計集合到整體的計算框架中，如圖12所示，可以通過模擬指定選區位置的微觀結構和性能，從而得到最佳的工程產品。
圖12 ICME應用流程
然而，ICME框架的實現除了缺乏充足的動力學模型和數據庫基礎之外，在模型集成方面同樣面臨挑戰，因為當前的材料建模分割為商業軟件和解決特定問題的研究代碼，沒有完全集成，而這種集成需要跨學科以及工業和學術界在多維度模擬方面的合作，來解決不同尺度的材料和工藝模型中的基本數值問題，同時接口技術和自動數據傳輸等貫穿整個ICME過程[2]。不過，美國、歐洲和中國等國家在近幾來來已經為MGI/ICME的數據庫、模型和方法論等方面做出了重大努力，相信隨著進一步的發展，材料設計（Materials by Design）的未來將變得越來越有可能。
【參考文獻】
[1]Ying Yang，Ling Wang， Lance Snead，Steven J.
展開 碳纖維復合材料結構設計要點
強度與剛度
既然是結構部件，那么設計者首先要考慮的是強度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個能力又是有限度的。
如何確定部件的使用載荷，不會超出部件的能力極限，是通過材料力學計算得出。而部件的這個能力極限，就是碳纖維復合材料結構設計者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優化纖維排布，用最少的材料，滿足設計需求，體現了復合材料設計者精湛的技巧。不過決定復合材料強度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結合搭配有關。
所以，設計者在設計碳纖維復合材料結構部件時，需要考慮三個層級結構的力學性能。
由基體和增強材料復合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區的性能。
由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設方向、鋪層序列) 。
最頂層結構是指通常所說的工程結構或產品結構，其力學性能決定于層合體的力學性能和結構幾何。
穩定性
除了強度與剛度要求，設計者還需考慮復合材料部件的失穩，尤其是對一些細長桿結構，在受壓時，應該能夠保證其原有的直線平衡狀態。對于一些框架結構部件，如果鋪層不均勻，也會產生翹曲失穩，所以在制造過程中尤其注意。最好采用對稱鋪層，以防變形不均勻。
一般情況下，在部件沒有達到極限載荷之下，不允許產生失穩現象。但是如果對于一些特殊要求，可以產生失穩現象，那么設計過程中，要考慮失穩過程不會因此影響極限載荷。
鋪層結構
鋪層結構是碳纖維復合材料結構設計的關鍵，如何把單層結構的優異性能傳遞到復合材料結構部件上，鋪層結構起到承上啟下的作用。
展開 
一文搞懂ANSYS_ACP復雜實體模型復合材料纏繞鋪層設計（Ⅳ型儲氫罐高精度建模及壓力作用分析） ￥99.66
ANSYS ACP是一款專用的復合材料前后處理工具，在前處理鋪層信息定義和后處理結果查看環節中都有著簡潔高效和人性化的設置操作，但限于儲氫罐的幾何模型復雜、鋪層角度多變、圓頂處不規則加厚等特點，其實體模型的復材纏繞鋪層設置較有難度，本文旨在基于ANSYS Workbench平臺建立等比例、高精度的Ⅳ型儲氫罐復合材料實體模型，并將其與Static Structural聯合使用以分析其在60MPa壓力作用下的變形、應力、應變等信息。其中詳述了ANSYS ACP在復合材料鋪層設計中的操作流程及變角度、變厚度、實體貼合碳纖維鋪層等內容，為Step by Step可復現教程文檔，借助此過程可掌握復雜實體模型的復材鋪層設計技術，另外本文所采用的儲氫罐模型來源于真實Ⅳ型儲氫罐模型，亦可為儲氫罐設計應用提供技術支撐。
付費文件包含完整仿真流程文件一套、所使用的全部幾何文件和軟件逐步操作教程文檔一個。教程文檔十分詳細，共計51頁、7000余字，用戶可根據教程文檔進行學習以及逐步操作實現對Ⅳ型儲氫罐碳纖維復合材料的鋪層設計與仿真。
文檔教程收獲：
掌握ACP變角度、變厚度的復雜形狀實體復合材料纏繞鋪層設計技術。
學會ACP軟件厚度增強、鋪層修剪、沿指定路徑擠出、鋪層貼合實體等技能。
熟練掌握IV型儲氫罐的等比例、高精度復合材料設計建模技術，為儲氫罐設計應用奠定工程技術基礎。
展開 利用OptiStruct為邊境巡邏車設計創新的、最小重量的復合材料結構
Altair團隊專業、創新，他們的結構 設計和分析以及車輛動力方面的技能是無與倫比的。”
Jeff Reber
TPI復合材料公司項目經理
解決方案
復合材料的概念優化
貫穿整個開發過程中的一個要求就是要確保最終產品重量盡可能最輕，同時滿足性能目標。為了實現這個目標，Altair ProductDesign產品咨詢團隊進行了一系列優化研究來確定結構上哪里需要材料，以及哪里可以去掉以減少重量。為了完成最初的“概念優化”，該團隊使用了AltairHyperWorks軟件包中的優化設計工具——OptiStruct。在這個過程中，需要給出車輛在各種使用條件下的性能目標、載荷工況以及復合材料的強度、剛度和其它特性。最終，定義出設計空間以確定哪里可以增加材料能滿足設計要求。例如，一個非設計的空間包括駕駛室和拘禁室的兩側的門。
隨著設計考慮和約束定義，OptiStruct生成了新的材料布局概念。
展開 復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
在發表的文獻中給出了當時波音民用飛機使用的復合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線（見圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結構典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國內從1985年開始沖擊損傷的研究，在中國飛機強度所建立了壓縮下沖擊的試驗設備及開展了相關的理論和試驗研究。這項研究在航空用復合材料體系的研發和復合材料飛機結構的損傷容限設計和試驗驗證中得到應用。1980年代國內開始軍機復合材料結構的設計和研制，當時首先遇到的問題是沒有復合材料結構設計知識，特別是當時作為設計入門的國外某公司《復合材料設計手冊》中給出一組設計用材料數據（見圖2），從文獻可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結構極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結構在極限載荷下的設計許用值一般采用材料的極限強度，因此限制載荷下使用的材料性能應是極限強度除以1.5，這組數據背離了人們的常識。當時國內軍機采用T300碳纖維，但使用國內研制的樹脂，其設計值該如何確定成了航空復合材料界的難題，航空界進行了研究和向國外專家咨詢，但始終沒有解決（關于許用值與設計值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應變的確定與沖擊損傷有關。在此背景下，當年作者提出了確定設計值的一種工程方法：鑒于設計值與沖擊損傷有關，且國外該公司所用的材料體系是T300/5208，而文獻中提供了該材料體系典型結構鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線的門檻值為2800με，只要將國內軍機所用材料同樣結構典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線門檻值與其進行比較，即可確定國內軍機所用材料體系的壓縮設計值。在設計經驗比較缺乏的1990年代，根據作者提出的這種確定壓縮設計值的簡便方法，解決了軍機復合材料結構研制中遇到的一系列問題。
展開 創成式設計和航空設計復合材料（附案例視頻）
航空排放法規越來越嚴格，要求工程師設計輕型飛機部件，同時開發周期不斷縮短。
本次網絡研討會探討了創成式設計以及復合材料設計和制造的進步如何幫助航空航天企業重塑現有產品的設計，并用這些新技術開發下一代產品。
點擊獲取完整視頻：http://jishulink555.mikecrm.com/gJAuR0Y
以下為部分截取
點擊獲取完整視頻：http://jishulink555.mikecrm.com/gJAuR0Y
