復合材料構件的案例
先進復合材料的CAE虛擬技術
目前，我國國防工業復合材料產品的生產主要采用傳統的設計和制造技術，與國外先進水平有很大的差距，而其中一個很重要的原因是缺乏成熟的數字化工程環境的支持。事實上，國外的研究和應用成果已經表明，在復合材料構件的設計制造過程中，不僅要采用單項數字化設計制造技術，而且要建立集成的數字化設計制造環境，分別從計算機軟、硬件和先進的復合材料設計、制造技術角度出發，融合所有設計和制造的數字化過程，打通復合材料構件數字化生產線，實現產品數據從復合材料構件設計到最終交付的順暢傳遞。國際先進復合材料技術目前的發展更傾向于利用虛擬的設計-制造-驗證一體化環境，將真實的設計、……
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展開 基于XFlow的復合材料熱壓罐成型過程的溫度場模擬
關鍵詞：熱壓罐工藝，溫度場，XFlow
當前飛機制造過程中，復合材料有著一些其它材料不可替代的優點，如耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕，并以其高比強度、高比剛度在飛機結構件中占據越來越大的比例。隨著復合材料使用量的增加及大型復雜結構件的精度要求的提高，復合材料構件的制造精度要求也越來越嚴苛。對于應用在飛機上的高品質復合材料構件，應用最廣泛的制造工藝為熱壓罐工藝[1]。
在熱壓罐成型工藝中，模具工裝型面的溫度場分布是影響制件質量的關鍵因素之一。成型過程中模具表面溫度分布不均會導致制件內部存在溫度梯度，以至于制件固化不同步、在結構內部產生殘余應力和殘余應變，最終會造成制件出現內部缺陷、發生初始破壞，嚴重時會影響制件的質量和使用壽命[2~4]。因此分析和研究熱壓罐成型過程時與復合材料構件接觸的表面的溫度分布特點對改善復合材料構件最終的成型質量具有重要意義。
本文將使用XFlow軟件建立框架式模具在熱壓罐中強迫對流換熱的有限元模型，并分析模具表面溫度場溫度分布規律及其影響因素。
展開 一文看智能復合材料的未來
來源：中國復材
智能復合材料與結構是在復合材料基礎上發展 起來的一項高新技術 ， 它把傳感器 、 驅動器和微處理器等埋在復合材料結構中 ， 形成既能承載又具有 某些特定功能的多功能性結構材料。
由于復合材料的可設計性強，加之智能結構與先進復合材料的制造方法相同，因此可根據實際應用情況的需要，重新將已或將用于航空航天等結構中的復合材料部件進行智能化處理，這樣可從根本上解決復合材料構件在其結構運行中出現的較難克服的問題如振頗、應力集中等）。
智能復合材料的主要種類和應用
1、 形狀記憶合金纖維增強智能復合材料
SMA 應用于智能復合材料主要由于其具有形狀記憶效應（SME）和超彈性。
2、 光導纖維智能復合材料
智能復合材料中的傳感器是嵌埋在復合材料中的，這要求與基體之間具有良好的兼容性。
3、 碳纖維增強智能復合材料
該復合材料較多地出現在水泥基材料中。將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入水泥基材料中，不僅材料的強度得到提高且具有應力、應變和損傷自檢測功能。
4、 壓電智能復合材料
該復合材料具有壓電效應。當在材料上施加外力時，材料產生電壓的現象稱為正壓電效應；而對材料表面施加電場產生應變或應力稱為反壓電效應。即其具有將電能和機械能變換的特性，故可應用于智能結構中，特別是自適應、減振與噪聲控制等方面。
5、 電/磁流變體智能復合材料
電/磁流變體在外加電/磁場作用下，內部會出現一種沿電/磁場方向的纖維狀結構，使得體系粘度在短時間內急劇增大，同時伴隨屈服應力、彈性模量顯著增加，而當撤去外電/磁場后又可在瞬間內恢復到液體。利用這一特點，與其它材料復合可實現材料的智能化。
展開 航空航天新復合材料…
只要層內的應力水平達到了基體樹脂材料的破壞強度，或者雖應力水平低于基體樹脂的破壞強度，但經過足夠的載荷循環，偏軸層內就會出現基體樹脂裂紋。偏軸層內的基體樹脂裂紋損傷與鋪層順序有關。
例如，[0/90/ 45]s層合板90°鋪層中的裂紋比[0/ 45/90]s層合板90°鋪層中的裂紋多。所有偏軸層的裂紋加在一起，有60%～90%的裂紋產生在20%疲勞壽命以前。但是，出現大量的基體樹脂裂紋并不影響構件應用時的安全性，大量的靜力試驗和疲勞試驗都證明了復合材料具有獨特的"損傷-安全"特性。
2.2復合材料撞擊損傷
復合材料耐撞擊的性能較差。常會因受到外來物撞擊而產生損傷。當撞擊能量低于某個水平時，雖然目視不能覺察到損傷，這種損傷可能導致強度顯著降低。復合材料結構在使用過程中，可能會因受到撞擊而產生各式各樣的損傷，可分為硬物體撞擊和軟物體撞擊損傷。
硬物體的撞擊往往是引起復合材料的局部損傷，可能導致復合材料強度明顯下降，甚至在短時間的疲勞過程中發生疲勞破壞。飛機起飛和著陸滑跑時跑道上的石子以及空中飛行時遇到冰雹，都可能使復合材料構件產生撞擊損傷；另外，在制造和維護過程中，不正確的維護行為，例如跌落工具的撞擊等也會使復合材料構件產生撞擊損傷。
軟物體的撞擊主要是指飛鳥的撞擊。這種撞擊有時直接造成結構破壞，有時只引起局部損傷。主要取決于撞擊物的質量、材料、撞擊速度、幾何形狀和撞擊時的偏斜角度。
2.3復合材料層間分層損傷
在面內軸向載荷作用下，沿著復合材料構件邊緣會產生層間應力或壓應力（垂直層合板平面方向）。如果外載荷（靜載荷）引起的層間應力是拉應力，并且超過了材料的層間強度，那么自由邊緣處將會產生分層。應當指出，當交變應力水平低于開始分層的靜應力水平時，在疲勞壽命初期也可能產生分層。
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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 高性能復合材料樹脂傳遞膜技術( RTM)研究
樹脂傳遞模塑法(RTM)是一種低成本、效益好的復合材料成型工藝。研究了RTM用樹脂體系、預成型技術、成型模具、成型工藝以及RTM在航空航天領域的應用。
目前，高性能復合材料的低成本制造技術成為復合材料研究領域中令人矚目的新發展動向，它打破了長久以來高性能復合材料必然具有高制造成本的慣例，為高性能復合材料開辟了廣闊的應用領域，RTM工藝正是在這思想指導下出現的復合材料制造工藝。它采用低粘度樹脂注入閉合模具中，樹脂流動，浸潤已合理鋪放好或預成型的增強材料，并固化成型。與其它傳統復合材料生產技術相比，RTM有許多優點：能夠制造高質量、高精度、低孔隙率、高纖維含量的復雜復合材料構件，無需膠衣樹脂也可獲得光滑的雙表面，產品從設計到投產時間短，生產效率高。RTM模具和產品可采用CAD進行設計，模具制造容易，材料選擇廣。RTM成型的構件與管件易于實現局部增強以及局部加厚，帶芯材的復合材料能一次成型。RTM成型過程中揮發份少，有利于勞動保護和環境保護。
RTM對基體樹脂工藝性的要求為：室溫或工作溫度下具有低的粘度（一般應小于l.OPa．s）及一定的貯存期(如t≥48h)；樹脂對增強材料具有良好的浸潤性、匹配性、粘附性；樹脂在固化溫度下具有良好的反應性，且后處理溫度不應過高（如T≤200°C凝膠化、固化到脫模的時間較短；固化時發熱量少。
適用于RTM工藝的基體樹脂主要包括環氧樹，脂、雙馬來酰亞胺樹脂、酚醛樹脂和氰酸酯樹脂等。
高透明水晶樹脂https://www.hongyantu.com/index.php?r=landing/index&id=szjgb
展開 復合材料的應用情況
隨著建筑工業的迅速發展，復合材料越來越多地被用于建筑工程：
（1）承載結構 用作承載結構的復合材料建筑制品有：柱、桁架、梁、基礎、承重折板、屋面板、樓板等，這些復合材料構件，主要用于化學腐蝕廠房的承重結構、高層建筑及全玻璃鋼-復合材料樓房大板結構。
（2）圍護結構 復合材料圍護結構制品有各種波紋板、夾層結構板，各種不同材料復合板，整體式和裝配式折板結構和殼體結構。用作殼體結構的板材，它既是圍護結構，又是承重結構。這些構件可用作工業及民用建筑的外墻板、隔墻板、防腐樓板、屋頂結構、遮陽板、天花板、薄殼結構和折板結構的組裝構件。
（3）采光制品 透光建筑制品有透明波形板、半透明夾層結構板、整體式和組裝式采光罩等，主要用于工業廠房、民用建筑、農業溫室及大型公用建筑的天窗、屋頂及圍擴墻面采光等。
（4）門窗裝飾材料 屬于此類材料制品有門窗斷面復合材料拉擠型材、平板、浮雕板、復合板等，一般窗框型材用樹脂玻璃鋼。復合材料門窗防水、隔熱、耐化學腐蝕。用于工業及民用建筑，裝飾板用作墻裙、吊頂、大型浮雕等。
（5）給排水工程材料 市政建設中給水、排水及污水處理工程中已大量使用復合材料制品，如各種規格的給水玻璃鋼管、高位水箱、化糞池、防腐排污管等。
（6）衛生潔具材料 屬于此類產品的有浴盆、洗面盆、坐便盆，各種整體式、組裝式衛生間等，廣泛用于各類建筑的衛生工程和各種衛生間。
（7）采暖通風材料 屬此類復合材料制品有冷卻塔、管道、板材、柵板、風機、葉片及整體成型的采暖通風制品。工程上應用的中央空調系統中的通風廚、送風管、排氣管、防腐風機罩等。
（8）高層樓房屋頂建筑 如旋轉餐廳屋蓋、異形尖頂裝飾屋蓋、樓房加高、球形屋蓋、屋頂花園、屋頂游泳池、廣告牌和廣告物等。
展開 自動鋪絲機床到底有多重要？戰略利器！
其實這些絲就是在飛機制造時，覆蓋在機身和機翼的碳纖維復合材料。
這種復合材料與其他材料相比有重量輕、比強度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優點，被廣泛應用到航空航天、國防裝備及能源開發等領域，并推動了相關工業領域的快速發展。但是，受到復合材料纖維絲/帶尺寸及芯模表面的復雜曲率等因素的影響，對于曲率復雜的復合材料構件的制造還存在一定困難。
戰略熱“機”
這幾年復合材料在飛機上的應用突飛猛進，應用范圍越來越廣，用量越來越大。例如F35的比例是35%，而波音787和空客A350為代表的大型客機，復合材料用量已經占到飛機結構重量的50%，整個機身、機翼結構幾乎全部采用了碳纖維復合材料。如此大量地使用碳纖維復合材料，目的就是為了減輕飛機結構重量、提高飛機的可靠性。
飛機大面積采用復合材料，幾乎全是曲面結構，而尺寸較大的復合材料零件，通常都需要一體成型。以往傳統的手工鋪放方式，需要通過多次壓實保障鋪層質量，難度高、成型率低產品質量難以保障，已經無法滿足飛機制造的需要。
不僅是航天領域，隨著各個工業領域所需的復合材料構件的大型化、復雜化需求的不斷提升。
展開 基于Abaqus的復合材料固化仿真模擬
利用abaqus進行結構力學仿真已經十分普遍，但有關預測復合材料固化過程中變形及殘余應力的內容相對較少。復合材料的固化行為可分解為熱傳導、固化交聯反應、樹脂流動-壓實、固化變形四個重要環節，涉及Hetval、Uexpan及Umat等子程序，內容繁復且不易理解，下面將簡要介紹各個環節及所使用的子程序。
溫度場研究一直是復合材料構件制造中的一個主要研究熱點，溫度場通過影響樹脂的固化度和固化速率對材料熱物理性能、化學收縮、殘余應力等產生影響，因此針對熱-化學耦合的仿真研究比較多。此過程中主要使用的子程序有Hetval、Film及USDFLD等，在莊茁先生的著作中有部分源代碼，在此不再贅述。
Film子程序簡介
該子程序在熱交換分析中用來定義非均勻的對流換熱系數和環境溫度，可以定義的變量有H（1）、H（2）及sink。
H（1）用于定義節點上的對流換熱系數，如果沒有定義，那么將被初始化為0。
H（2）用于定義節點上對流換熱系數相對于表面溫度的變化率，通過定義這個值，可以提高非線性分析中的收斂速度。
sink用于定義環節溫度，如果沒有定義，那么也將被初始化為0。
Hetval子程序簡介
該子程序用來在傳熱分析中定義內部樹脂固化生熱，可以定義和更新的變量有FLUX（1）、FLUX（2）及STATEV。
FLUX（1）用于定義當前節點上的熱流密度。
FLUX（2）用于定義單位溫度變化導致的熱流密度的改變速度。
展開 復合材料構件數字化建模技術研究
復合材料是一種由高強度、高剛度增強材料鋪設在基體中所構成的新型材料，具有高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性和抗腐蝕性等一系列優點。隨著復合材料在飛機上用量的日益增加，其重要性也越來越突出。由于先進復合材料的可設計性及其在提高飛機性能上的巨大潛力，復合材料在飛機上應用的部位和用量的多少幾乎已成為衡量當代飛機先進性的一個重要標志。然而復合材料的結構設計與傳統金屬結構的設計又有許多本質的區別且更加復雜。原因是復合材料在結構設計時并無確定的結構材料存在，其產品和材料的研制是同時進行的，材料的制造同樣要按結……
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展開 samcef復合材料 蒙皮桁條框構件屈曲分析
蒙皮桁條框構件屈曲分析
原始文件：stiffened_panel.prt
分析類型：線性屈曲分析
3D模型：同時有復合材料和金屬材料的航空構件
算例概述：
仿真類型：線性屈曲分析
1. 導入幾何體+幾何處理
2：檢查幾何體
3：劃分網格(Meshing)
4：給框賦材料參數（金屬材料）
5：給蒙皮和桁條賦材料參數（復合材料）
6：添加仿真對象(SimulationObject)模擬實際工況
7：加載荷和邊界條件
8：修改求解結果設置
9：后處理
具體操作細節見附件。
優酷視頻：http://v.youku.com/v_show/id_XMTUyMTAxMTcwOA==.html
百度網盤: http://pan.baidu.com/s/1bpr068R
算例2蒙皮model.zip
蒙皮桁條框構件屈曲分析.pdf
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華中科技大學柳林組JMCA: 新型熱噴涂3D打印技術制備大尺寸高韌性Fe基非晶合金及其復合材料
研究發現，該非晶合金及復合材料具有優異斷裂韌性主要歸因于熱噴涂產生的扁平狀層間結構，阻礙裂紋貫穿性擴展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎上，輔以預制模板，就可以打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。相比于傳統激光3D打印技術，TS3DP技術具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。
【圖文導讀】
圖1. 熱噴涂3D打印技術原理示意圖以及大尺寸Fe基非晶合金及復合材料樣件
圖2. 熱噴涂3D打印成形非晶合金及復合材料的顯微結構表征（SEM、TEM）
圖3. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的壓縮性能與斷裂韌性
圖4. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的斷裂與增韌機理分析
圖5. 采用模板輔助熱噴涂3D打印技術制備的形狀復雜的非晶合金及復合材料構件
【小結】
在這個工作中，研究人員開發出一種新型熱噴涂3D打印技術，成功制備出大尺寸Fe基非晶合金及其復合材料，該材料具有高強度（>1.8 GPa）及良好的斷裂韌性（13-21 MPa 1/2）。
在此基礎上，輔以預制模板，打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。該研究得到了國家自然科學基金項目（51531003；51471074）以及科技部973項目（2015C856801）等資助。
展開 看波音公司如何通過光固化的技術來制造復合材料產品？
南京航空航天大學的技術對當前熱塑性復合材料成型技術是一種突破，南京航空航天大學采用兩級旋轉腔體對纖維和樹脂的共混體進行攪拌和纏繞，適用于較大尺寸的纖維絲束，優化了打印頭對纖維原有狀態的適應性，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了構件的表面質量；攪拌共混的作用下，纖維與樹脂間的浸潤充分，共混體中的纖維呈緊密螺旋纏繞狀，提高了增強體的承載能力，樹脂在纖維中各處分布均勻，改善了構件的層間和界面結合性能，提高了打印構件的力學性能；擠出頭的旋轉作用可使共混體在擠出后，纖維與樹脂的分布均勻，纖維體積含量高。
當前針對連續纖維增強的熱塑性復合材料成型FDM打印技術領域，活躍的企業和研究機構包括美國Mark Forged，日本大學、東京工業大學，西安交通大學等。3D打印隨著南京航空航天大學將這一技術水平推向新的高度，3D科學谷認為FDM技術用于連續纖維增強的熱塑性復合材料打印技術進一步走向工業級應用。
南京航空航天大學的突破性在于實現了較高力學性能連續纖維增強熱塑性基體復合材料構件的3D打印，且成型效率高，表面質量好，可適用于對性能要求較高的航空航天復雜構件的成型過程。
從金屬到高性能材料的轉換目前是航空航天市場的一個既定趨勢，3D科學谷認為復合塑料成為追求設計自由度、制造便利性和輕質以超越傳統鋁材的方案。
參考資料：US10112380B2_methods for additively manufacturing composite parts
來源：3D打印
展開 波音公司如何通過光固化3D打印技術來制造復合材料產品
南京航空航天大學還研發出連續纖維增強熱塑性樹脂基復合材料旋轉共混3D打印頭，其特征在于: 擠出頭連接于熔融腔也可繞中軸旋轉，且旋轉方向與熔融腔相反；熔融腔與擠出頭內側均有攪拌齒環，纖維束和熔融熱塑性樹脂受到兩級反向旋轉的螺旋齒環攪拌作用下均勻共混，且共混體以螺旋狀密實纏緊成圓柱絲束，樹脂沿纖維取向均勻分布；擠出頭擠出材料至成型區域并固化成纖維增強樹脂基復合材料。
南京航空航天大學的技術對當前熱塑性復合材料成型技術是一種突破，南京航空航天大學采用兩級旋轉腔體對纖維和樹脂的共混體進行攪拌和纏繞，適用于較大尺寸的纖維絲束，優化了打印頭對纖維原有狀態的適應性，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了構件的表面質量；攪拌共混的作用下，纖維與樹脂間的浸潤充分，共混體中的纖維呈緊密螺旋纏繞狀，提高了增強體的承載能力，樹脂在纖維中各處分布均勻，改善了構件的層間和界面結合性能，提高了打印構件的力學性能；擠出頭的旋轉作用可使共混體在擠出后，纖維與樹脂的分布均勻，纖維體積含量高。
當前針對連續纖維增強的熱塑性復合材料成型FDM打印技術領域，活躍的企業和研究機構包括美國Mark Forged，日本大學、東京工業大學，西安交通大學等。3D打印隨著南京航空航天大學將這一技術水平推向新的高度，3D科學谷認為FDM技術用于連續纖維增強的熱塑性復合材料打印技術進一步走向工業級應用。https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/46027.html
南京航空航天大學的突破性在于實現了較高力學性能連續纖維增強熱塑性基體復合材料構件的3D打印，且成型效率高，表面質量好，可適用于對性能要求較高的航空航天復雜構件的成型過程。
展開 中南大學在航空航天特種材料/構件制造方向獲突破性進展！
有色金屬材料在航天、航空、軍工等國家戰略領域有著不可替代的作用和地位，新世紀以來國家發展對有色金屬材料的需求更為緊迫和更具前沿挑戰性。中南大學有色金屬優勢學科群長期活躍于本學科前沿和產業發展的技術服務領域，建設了輕質高強有色金屬材料與構件、有色金屬復合材料與構件、有色金屬高溫結構材料與構件研究平臺，組建基礎研究-技術創新-工程化研究-產業應用各環節融合的跨行業、跨學科協同創新團隊，通過承擔國家重大項目，形成本領域前沿（知識、技術、工程）的創新能力，快速響應國家重大需求，解決關鍵難題，取得一系列重要突破。
研制成功?10m級重型運載火箭箭體結構件
重型運載火箭是我國載人登月、深空探測等重大工程急需的關鍵運載工具，其關鍵技術攻關階段的任務之一是要突破重型運載火箭超大型?10m級貯箱過渡環、橢球形箱底瓜瓣、超高強部段對接環框和薄壁高筋大型壁板件等箭體主要結構件制造技術瓶頸，為型號立項做好準備。面對國家這一重大需求，中南大學與航天一院、西南鋁等單位組成聯合攻關團隊，突破了超大規格鑄錠的高品質制備、超大型環件高性能整體成形制造、大型橢球形瓜瓣復雜曲面高精度蠕變時效成形制造、超高強部段對接環框成形制造、薄壁高筋大型壁板件快速精確成形制造等關鍵技術，已成功研制出國內最大的高性能?10m級整體貯箱過渡環、橢球形箱底瓜瓣、超高強部段對接環框和薄壁高筋大型壁板件等箭體主要結構件，形成了從材料到構件一體化制造的系列核心技術，制成的幾類大型構件綜合性能指標全面突破設計要求，圓滿完成重型運載火箭箭體主要結構件制造的預研，為我國重型運載火箭立項提供了重要支撐。
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