鋪層優化的案例
汽車用碳纖維復合材料防撞梁鋪層角度優化
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碳纖維復合材料防撞梁鋪層角度優化
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基于HyperWorks的無人機復合材料翼梁結構優化
解決方案：多學科優化
首先確定翼梁上承受的載荷和邊界條件，使用拓撲優化技術對翼梁的結構進行優化計算。結果表明，翼梁使用中空的矩形截面仍能滿足性能要求。
然后使用AltairOptiStruct的復合材料優化技術對矩形翼梁結構中不同角度如正負45度和90度的鋪層進行優化。鋪層形狀優化技術將首次應用到鋪層角度的優化上。
最后進行鋪層尺寸的優化，優化過程中除了應用應變和屈曲約束，還用到Multi-continuum理論（MCT）的失效準則。MCT通過將鋪層整體的應力應變分割成各組成部分（纖維和基體）的應力應變的方式來研究復合材料結構中的微觀力學。這 將允許使用不同的失效理論研究纖維和基體來獲得每個組成部分的力學特性。由于MCT與有限元方法易于集成的特點， FireholeTechnologies公司已將其開發成商業軟件HeliusMCT，并集成在幾種有限元軟件包中。
來自Altair多學科優化軟件HyperStudy的響應面優化技術將用來處理包含非線性有限元分析和multi-continuum理論的多學科優化問題以獲得復合材料鋪層最優的尺寸。
優化結果：減重50%
優化結果表明：翼梁的重量可以減少至原始設計的50%。輕量化設計首先來自于可將翼梁設計成中空矩形截面梁結構的拓撲優化，然后引入鋪層角度的概念，通過鋪層角度優化進一步減輕結構重量。最后在優化過程中使用MCT失效準則，使最終的設計方案滿足總體應變、撓曲以及失效約束。
這一過程表明：在復合材料結構設計過程中使用多學科優化技術可以獲得更加輕便的結構，使用復合材料鋪層形狀優化加上響應面優化和multicontiuum理論將獲得輕量化的結構并且滿足微觀力學水平的失效約束。
展開 新能源汽車碳纖維復合材料車門輕量化設計
尺寸優化后的車門在垂直工況下最大變形位移出現在車門窗框上沿邊緣處，數值為8.211 mm，相比單純的自由尺寸優化，剛度有所下降，但是仍然符合工程要求。
在優化后，每一層從原有的4層增加到了48層，最終鋪層數目為192層。
3.3 鋪層順序優化
鋪層順序優化是在不改變鋪層厚度、形貌和結構的前提下，對車門鋪層的疊加順序進行優化，目的是在原先的基礎上改善剛度和模態頻率。
為了結構優化的方便，本文采用的初始鋪層數目為4層。而在工程中對于4層的復合材料常用的鋪層角度是0°、±45°和90°。圖4為對每一層規整后的車門外板鋪層圖，表7則為優化后的車門外板的各鋪層具體厚度以及角度分布的詳細數據。
圖4 規整后的車門外板鋪層圖
表7 車門外板的每一層厚度以及角度數據
進行靜力學分析后發現，經過鋪層順序優化后的剛度性能表現更好，相比于優化之前的車門，變形也減少了很多。優化前后車門在各工況下最大位移比較見表8。
表8 優化前后車門在各工況下的最大位移
之后對優化后車門進行約束模態分析來校核性能，得出一階模態約束頻率為47.11 Hz，避開了環境綜合激勵頻率，合乎設計標準。
4 結論
本文基于新型碳纖維材料和計算機輔助設計軟件，對某新能源汽車的車門進行了材料替換和結構優化的輕量化設計。對碳纖維復合材料車門依托自由尺寸拓撲優化、尺寸優化和鋪層順序優化理論進行了結構優化，并校核了優化后車門的剛度和模態頻率。模態頻率和最大變形均滿足要求，最終優化后的車門總質量為8.052 kg，減重48.3%。
參考文獻
[1] 劉鍇.中國新能源汽車產業發展情況分析與測算[J].汽車縱橫,2021(11):16-20.
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2019中國大學生方程式賽車應用技術培訓
日程安排:
第一期： 3月31日 14:00-16:00
《HyperMesh高效前處理技術在方程式賽車設計中的應用》
HyperMesh基本功能演練
HyperMesh賽車模型建模
OptiStruct求解器靜力分析
第二期：4月13日 14:00-16:00
《基于OptiStruct的賽車拓撲優化》
拓撲優化設置及流程
賽車拓撲優化案例
第三期：4月20日 14:00-16:00
《基于OptiStruct的賽車復合材料優化》
鋪層形狀優化/鋪層數量優化/鋪層順序優化
賽車復合材料優化流程
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展開 無人機應用碳纖維復合材料減重有妙招
利用鋪層設計減重：
碳纖維復合材料具有高度的各向異性，復合材料縱向（纖維方向）的彈性模量和強度較強，橫向（垂直纖維方向）的彈性模量和強度則相對較弱。可以通過鋪層結構的合理設計，利用復合材料的非對稱和非均衡鋪層產生的耦合效應，把復合材料結構剛度和結構彈性完美結合起來，使碳纖維復合材料的優勢力學性能方向沿結構的傳力路徑布置，從而有效利用了每一絲束的承載能力，最大限度地發揮出其力學性能優勢。
以無錫智上新材一款重載四旋翼無人機提供的碳纖維部件為例，這款無人機最大起飛重量為25kg，最大有效載荷為11kg，軸距為1700mm，空載續航為40min，滿載續航為20min，客戶要求該款無人機的結構強度和結構穩定性安全系數都要達到2.0。這款無人機整體結構主要包括中心板、機臂和起落架這三部分。無錫智上新材主要負責碳纖維機臂和中心板部分的制作。其中，機臂尺寸長610mm，寬37mm、高47mm。
可發現當機臂在使用碳纖維復合材料【0°】7的鋪層方案時，機臂的結構強度及穩定性均高于設計強度及穩定性系數2.0的要求。而強度及穩定性過剩必然導致結構材料冗余，增加了無效機重，給飛行效率及成本帶來負面影響。因此，必須通過碳纖維復合材料的鋪層優化，使機臂既能滿足設計強度和穩定性的要求，又能保持相對最低的機體重量。
無錫智上新材通過多次實驗比較，選擇采用碳纖維復合材料【0°】4的鋪層方案，這樣，單根機臂重量僅有130g，相比【0°】7的鋪層減重了60g，整機實現減重240g。
同樣，在碳纖維復合材料優異的抗拉壓性能保證下，中心板也采用碳纖維鋪層優化方案，采用上中心板【0°/45°/90°/45°】s，下中心板鋪層為【0°/45°/90°】s。這樣，整個中心板的重量僅為377g，實現了能滿足設計強度及穩定性要求下的最輕重量。
展開 無錫智上新材開發出無人機用超輕碳纖維復合材料
利用鋪層設計減重
碳纖維復合材料具有高度的各向異性，復合材料縱向(纖維方向)的彈性模量和強度較強，橫向(垂直纖維方向)的彈性模量和強度則相對較弱。可以通過鋪層結構的合理設計，利用復合材料的非對稱和非均衡鋪層產生的耦合效應，把復合材料結構剛度和結構彈性完美結合起來，使碳纖維復合材料的優勢力學性能方向沿結構的傳力路徑布置，從而有效利用了每一絲束的承載能力，最大限度地發揮出其力學性能優勢。
以無錫智上新材一款重載四旋翼無人機提供的碳纖維部件為例，這款無人機最大起飛重量為25kg，最大有效載荷為11kg，軸距為1700mm，空載續航為40min，滿載續航為20min，客戶要求該款無人機的結構強度和結構穩定性安全系數都要達到2.0。這款無人機整體結構主要包括中心板、機臂和起落架這三部分。無錫智上新材主要負責碳纖維機臂和中心板部分的制作。其中，機臂尺寸長610mm，寬37mm、高47mm。
可發現當機臂在使用碳纖維復合材料【0°】7的鋪層方案時，機臂的結構強度及穩定性均高于設計強度及穩定性系數2.0的要求。而強度及穩定性過剩必然導致結構材料冗余，增加了無效機重，給飛行效率及成本帶來負面影響。因此，必須通過碳纖維復合材料的鋪層優化，使機臂既能滿足設計強度和穩定性的要求，又能保持相對最低的機體重量。
無錫智上新材通過多次實驗比較，選擇采用碳纖維復合材料【0°】4的鋪層方案，這樣，單根機臂重量僅有130g，相比【0°】7的鋪層減重了60g，整機實現減重240g。
同樣，在碳纖維復合材料優異的抗拉壓性能保證下，中心板也采用碳纖維鋪層優化方案，采用上中心板【0°/45°/90°/45°】s，下中心板鋪層為【0°/45°/90°】s。這樣，整個中心板的重量僅為377g，實現了能滿足設計強度及穩定性要求下的最輕重量。
展開 【科普】無人機應用碳纖維復合材料減重的妙招
利用鋪層設計減重
碳纖維復合材料具有高度的各向異性，復合材料縱向（纖維方向）的彈性模量和強度較強，橫向（垂直纖維方向）的彈性模量和強度則相對較弱。可以通過鋪層結構的合理設計，利用復合材料的非對稱和非均衡鋪層產生的耦合效應，把復合材料結構剛度和結構彈性完美結合起來，使碳纖維復合材料的優勢力學性能方向沿結構的傳力路徑布置，從而有效利用了每一絲束的承載能力，最大限度地發揮出其力學性能優勢。
以一款重載四旋翼無人機提供的碳纖維部件為例，這款無人機最大起飛重量為25kg，最大有效載荷為11kg，軸距為1700mm，空載續航為40min，滿載續航為20min，客戶要求該款無人機的結構強度和結構穩定性安全系數都要達到2.0。這款無人機整體結構主要包括中心板、機臂和起落架這三部分。無錫某廠家主要負責碳纖維機臂和中心板部分的制作。其中，機臂尺寸長610mm，寬37mm、高47mm。
可發現當機臂在使用碳纖維復合材料【0°】7的鋪層方案時，機臂的結構強度及穩定性均高于設計強度及穩定性系數2.0的要求。而強度及穩定性過剩必然導致結構材料冗余，增加了無效機重，給飛行效率及成本帶來負面影響。因此，必須通過碳纖維復合材料的鋪層優化，使機臂既能滿足設計強度和穩定性的要求，又能保持相對最低的機體重量。
通過多次實驗比較，選擇采用碳纖維復合材料【0°】4的鋪層方案，這樣，單根機臂重量僅有130g，相比【0°】7的鋪層減重了60g，整機實現減重240g。
同樣，在碳纖維復合材料優異的抗拉壓性能保證下，中心板也采用碳纖維鋪層優化方案，采用上中心板【0°/45°/90°/45°】s，下中心板鋪層為【0°/45°/90°】s。這樣，整個中心板的重量僅為377g，實現了能滿足設計強度及穩定性要求下的最輕重量。
展開 QinetiQ借助HyperWorks優化技術使軍用Kiowa直升機更輕,飛得更遠
QinetiQ結構團隊采用AltairHyperWorks中的OptiStruct優化工具通過復合材料優化的創新方式實現艙門減重。“首先，我們建立一個艙門模型并配置成實體鋪層形式來初步了解OptiStruct能給我們帶來什么，”QinetiQ主任工程師JeffFinckenor說，“然后我們決定采用泡沫芯層處理艙門的設計。”
采用OptiStruct，設計團隊在艙門中心使用半英寸厚的泡沫，在外部邊緣保留了實體鋪層。4層復合材料用來覆蓋艙門的兩邊。設計團隊進行了多次優化迭代并比較了各種各樣的構造，如實體艙門vs泡沫/薄板三明治式；玻璃纖維vs碳纖維（最終選擇）；蜂窩芯材vs結構泡沫（該泡沫較容易制造成形）。OptiStruct用來比較各種材料的使用效果，從而優化鋪層的厚度和疊層次序。
結論
采用泡沫/鋪層設計和OptiStruct優化，QinetiQ成功將乘客艙門重量從原來鋁制艙門的9.26磅減至5.8磅。這樣，兩個乘客艙門、貨艙門及機組成員艙門的總減重達到12.7磅。
“這些數字固然重要，但真正的意義是能帶來操作性能的提升。”QinetiQ工程服務高級副總裁NealPetree說，“重 量的減輕表明飛機可以飛得更高、更遠或可以裝載更多的燃油或設備。這是真正意義上的節省，不僅僅是制造成本。
重量的減輕可以讓飛機增加新的技術組件來滿足未來任務的需要。”
“HyperWorks是幫助我們以前所未有的方式支持軍用航空制造的工具，”Finckenor說，“HyperWorks軟件促使我們的軍隊更現代，飛行器更安全。”
【想獲得更多信息，請加技術鄰微信客服 jishulink888。
展開 Altair網絡培訓——Altair大學生方程式賽車輕量化設計解決方案
主題：Altair大學生方程式賽車輕量化設計解決方案
時間：2016年4月27日14:00 ~ 16:00
內容介紹：Altair是世界領先的工程技術開發者，其HyperWorks系列軟件是一套杰出的CAE仿真平臺，它整合了一系列一流的工具，包括建模、分析、優化、可視化、流程自動化和數據管理等解決方案，在線性、非線性、結構優化、流固耦合、多體動力學、流體動力學等領域有著廣泛的應用。本期研討會將著重介紹Altair在方程式賽車輕量化設計方面的應用：
? HyperMesh高效前處理技術
? OptiStruct結構優化、復合材料鋪層優化設計技術
? Altair多物理場求解技術
? 方程式賽車輕量化設計相關應用
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中國大學生方程式汽車大賽2016賽季活動方案
展開 復材融創 Simcenter 3D 多學科仿真引擎
復合材料仿真作為核心優勢模塊，Simcenter 3D 支持層合板鋪層優化、失效預測等專業分析。工程師可基于分層理論與等效單層理論，對多層復合材料結構進行多尺度建模，精準計算層間應力分布與臨界載荷，實現從材料微觀特性到結構宏觀性能的跨尺度仿真驗證，為復合材料輕量化設計提供可靠依據。
行業應用中，Simcenter 3D 已在航空航天、汽車、能源等領域驗證了價值。航空航天領域，TLG Aerospace 借助其構建全尺寸氣動數據庫，通過 FAA 批準的 CFD 數據減少飛行測試需求，顯著降低認證成本；汽車行業，電裝利用其將 CAE 分析時間縮短 80%，標致雪鐵龍則實現電池組優化速度翻倍，15 分鐘即可定位噪聲源；新能源領域，其電池熱管理仿真能精確預測溫度梯度與熱點，為冷卻系統設計提供關鍵數據支撐。
技術優勢體現在 “效率 - 精度 - 協同” 三個維度。效率上，統一平臺將預處理時間大幅縮短；精度方面，多物理場耦合算法確保復雜工況下仿真結果可靠；協同層面，與 Teamcenter 的深度集成實現仿真數據全生命周期管理，形成從設計到仿真、測試的閉環流程。
Simcenter 3D 重新定義了工程仿真范式，通過數字孿生技術貫穿產品全生命周期，從概念設計到運維優化，為企業提供精準的虛擬驗證手段，推動產品研發模式向 “仿真驅動設計” 轉型，成為應對復雜工程挑戰的核心工具。
展開 
SAMCEF 2007年到2011年英文論文集
其技術特點包括利用求解器Mecano實現準確求解復合材料板的后屈曲分析；復合材料的分層損傷模擬，包括分層臨界面的確定，過程分析以及極限載荷的計算等；對復合材料結構進行優化設計包括層次順心優化，質量，機構和形狀優化等[1] 。
其主要功能包括：提供豐富的材料庫；豐富的單元庫；包含失效準則；粘結單元；提供多種結構分析類型；鋪層優化設計；強大的前處理功能；強大的后處理功能[2] 。
2.SAMCEF For Rotors：一個針對旋轉機械的轉子動力學專業軟件，它通過對轉子、定子和連接部件等結構的臨界轉速和動力學響應分析，評價和預估結構的動力學穩定性和設計可靠性。SAMCEF Rotors在航空發動機、空氣壓縮機、汽輪機、離心機和渦輪泵等工業領域有著廣泛應用，并在這些領域的轉子力學分析中占有主導地位，是世界范圍內最著名的商用轉子動力學軟件。
3.SAMCEF For Wind Turbines：創新性的專業解決方案，專注于機電風力渦輪系統的建模、分析和仿真，同時還結合了結構、機構和控制器模型。
4.CAESAM: 結構設計數據管理和流程自動化平臺: 有效幫助企業縮短產品周期,實現全局統籌管理,大力提高工作效率,從而快速提高企業競爭力.
5.SAMCEF For Machine Tools：創新性的專業解決方案，專注于機床設計，同時結合了結構、機構和控制器組件分析。
6.SAMCEF For Robots：創新性的專業解決方案，專注于機器人技術應用，同時結合了結構、機構和控制器組件分析。
7.SAMCEF For Transmissions：創新性的專業解決方案，專注于傳動系統和動力驅動系統（例如傳動箱、直線電機及滾珠絲杠等）的建模和仿真。
展開 Altair OptiStruct重塑制造業創新邏輯
它不僅支持沖壓、鑄造等傳統工藝約束，還能深度適配增材制造的復雜結構設計，讓拓撲優化生成的創新形態直接落地生產。其獨特的復合材料“三步法”優化，考慮鋪層丟層等實際加工場景，讓高性能復合材料的應用更具可行性，這也是其在風電葉片、醫療植入物等高端領域廣泛應用的核心原因。
如今，在輕量化技術成為產業競爭核心的背景下，OptiStruct已服務于全球各行業領先企業，從汽車OEM到航空巨頭，從電子消費品到能源設備，它用“減重、提效、降本”的實際價值，成為企業數字化轉型的標配。隨著2025年制造業數字化轉型進入深水區，這款融合了AI、云原生與多物理場技術的軟件，正持續打破設計邊界，讓更多創新構想成為現實。
對于追求核心競爭力的企業而言，選擇OptiStruct不僅是引入一款工具，更是擁抱一種“前置優化、精準創新”的設計哲學。在這場關乎效率與未來的競爭中，它正成為那些志在引領行業的企業，最可靠的技術伙伴。
展開 某型飛機復合材料整流罩優化設計
圖 1 整流罩模型
表 1 單層板材料屬性
圖 2 負載和邊界條件
3優化設計
3.1第一步：概念設計-自由尺寸優化
在自由尺寸優化中，優化設置如下：
（1) 目標函數：最小化兩種載荷工況的加權柔度；
（2) 約束：體積分數<0.3；
（3) 設計變量：每個方向鋪層厚度；
（4) 考慮的制造工藝約束包括：
a) 0度鋪層百分比80%；
b) 各個方向鋪層厚度不能小于真實單層板厚度（0.1mm）；
c) +45°/-45°度均衡鋪層。
自由尺寸優化目標函數迭代曲線如圖 3所示，從中可以看出，經過9步迭代計算后達到收斂。優化后單元總厚度如圖 4所示，從中可以看出最厚處為5.95mm；4個纖維方向厚度分布如圖 5至圖 8所示，根據結果云圖來看，90°;鋪層最厚，+45°/-45°厚度相同，滿足均衡鋪層要求，0°鋪層最薄。自由尺寸優化之后，根據優化結果創建下一步優化用的有限元文件，包括優化后的剪裁形狀、鋪層厚度等信息，每個鋪層角度分為4個鋪層。
圖 3目標函數迭代曲線（加權柔度）
圖 4 自由尺寸優化后單元總厚度
圖 5 自由尺寸優化后0°鋪層厚度
圖 6 自由尺寸優化后45°鋪層厚度
圖 7 自由尺寸優化后-45°鋪層厚度
圖 8 自由尺寸優化后90°鋪層厚度
3.2第二步：詳細厚度調整-鋪層厚度尺寸優化
第二步進行尺寸優化，對上一步各個角度鋪層厚度進行微調。在實際設計中，這一步還應當考慮強度和穩定性的約束條件，在本問題中，增加了固有頻率和最大應變約束條件。
展開 碳纖維復合材料車門多位一體研發技術
圖3.4 金屬車門方案與復材車門方案
4 鋪層設計與優化
鋪層設計是復合材料結構設計的關鍵，鋪層設計的核心技術是如何將單層結構的優異性能傳遞到復合材料結構部件上，使鋪層結構起到承上啟下的作用。因此，復合材料鋪層設計既要考慮到復合材料部件的受載情況和傳力路徑，還要注意復合材料成型的工藝難易程度。碳纖維復合材料結構設計的基本原則為：
a) 主應力原則：纖維取向應盡量與構件的主應力方向一致，充分發揮纖維的承載性能。
b) 對稱均衡原則：對稱均衡層合板可以避免各種耦合作用引起固化后的翹曲變形。
c) 鋪層定向原則：一般多采用0°、90°和±45°等鋪層方向，盡量減少鋪層方向以簡化設計和施工量，且任一鋪層的最小比例≥10%。
d) 鋪設順序原則：同一鋪層角的鋪層盡量均勻分布，一般不超過4層，以防分層、開裂破壞。
在虛擬工藝鋪覆過程中，需要對鋪覆結果進行評估，鋪覆性不好的地方應采取合理分塊、更改鋪層起始點，剪口，補片等設計手段對分塊或者鋪層原點進行優化，直至鋪覆性分析完全通過。
本文中的碳纖維復合材料外板結構簡單，外形流暢光順，在所選預浸料布幅足夠的情況下直接整體鋪覆；內板結構較為復雜，為了滿足預浸料鋪覆的工藝性，需要分塊鋪覆。
基于西門子Fibersim復合材料設計軟件，對外板和內板的各鋪層方向織物的鋪覆性進行了分析和優化，內板和外板工藝鋪覆性良好，能夠滿足制造需要。車門外板鋪覆性效果如圖4.1所示，車門內板鋪覆性效果如圖4.2所示。
圖4.1 車門外板鋪覆性效果
圖4.2 車門內板鋪覆性效果
鋪層展開圖用于復合材料車門的制造，導出數據可以直接作為自動裁布機可識別的信息。碳纖維復合材料車門內板0/90°方向鋪層展開圖如圖4.3所示。
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