復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件的案例
常用復(fù)合材料設(shè)計(jì)模擬軟件特點(diǎn)匯總
ESAComp軟件是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件系統(tǒng) , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發(fā)起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學(xué)輕型結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)完成。其目標(biāo)為開(kāi)發(fā)成一種可以在統(tǒng)一界面下包含所有復(fù)合材料分析和設(shè)計(jì)能力的軟件工具。ESAComp 具有基于微觀力學(xué)分析的廣泛的實(shí)體 / 夾層板分析、設(shè)計(jì)能力，而且它包含了針對(duì)單層板、層壓板、加筋板、梁和柱體，以及膠接和機(jī)械連接等等各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫結(jié)合。
ESAComp 是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)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(jié)果顯示，多級(jí)別的專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)， 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(kuò)展功能。雖然該軟件起源于航空、航天領(lǐng)域，但是已經(jīng)被開(kāi)發(fā)成適用于復(fù)合材料研發(fā)人員的通用工具。
VISTAGY公司開(kāi)發(fā)的FiberSIM是專門用于復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)和制造的工具。在三維模擬環(huán)境中，工程師可以使用此軟件建立復(fù)合材料部件完整的數(shù)字產(chǎn)品定義。FiberSIM支持整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，還有多種材料的靈活設(shè)計(jì)方法和制造方法。該軟件可以模擬復(fù)合材料在復(fù)雜曲面上的變形，產(chǎn)生制造信息，這些信息包括文檔、平展模型和驅(qū)動(dòng)下游生產(chǎn)設(shè)備所需要的數(shù)據(jù)。它支持包括手糊、模塑、預(yù)浸帶ESAComp軟件是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件系統(tǒng) , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發(fā)起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學(xué)輕型結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)完成。其目標(biāo)為開(kāi)發(fā)成一種可以在統(tǒng)一界面下包含所有復(fù)合材料分析和設(shè)計(jì)能力的軟件工具。
展開(kāi) Altair 在 JEC World 展會(huì)上展示針對(duì)復(fù)合材料的仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法、軟件及服務(wù)解決方案
Altair 將在今年的巴黎 JEC World 展會(huì)上接待合作伙伴Componeering和 HBM nCode并展示在HyperWorks中無(wú)縫集成 Multiscale Designer
2016 年 2 月 24 日，TROY（美國(guó)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(fù)合材料行業(yè)最大規(guī)模的國(guó)際展會(huì) JEC World。屆時(shí)，Altair 將展示各種面向復(fù)合材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化的軟件與服務(wù)解決方案，以及客戶成功案例。
復(fù)合材料的應(yīng)用范圍幾乎覆蓋所有行業(yè)，因?yàn)榇祟?em>材料不僅具備良好且可定制的結(jié)構(gòu)特征，而且可滿足許多種類產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)需求。但是，由于需要經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程才能完全發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，所以想要真正應(yīng)用復(fù)合材料難度不小。Altair 擁有超過(guò) 20 年的專業(yè)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，在業(yè)內(nèi)享有盛譽(yù)，為客戶提供面向復(fù)合材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化的強(qiáng)大工具與深厚專業(yè)知識(shí)。工程師們可以在 Altair 解決方案的引導(dǎo)下為鋪層式和蜂窩式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)材料布局，并進(jìn)行優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
今年 Altair 展位的最大亮點(diǎn)將是采用 TCA Ultra Lite?和碳纖維樹(shù)脂傳遞模塑 (RTM) 復(fù)合材料的多材質(zhì)汽車行李箱蓋。這款行李箱蓋由 Continental Structural Plastics 使用 Altair 的優(yōu)化解決方案研制而成，并剛剛獲得 2016 年的 JEC 創(chuàng)新獎(jiǎng)。展示區(qū)的“運(yùn)動(dòng)休閑天地”(Sport & Leisure Planet) 部分將向參觀者介紹世界最輕、最堅(jiān)固的公路自行車Rolo Bike，這款自行車為碳纖維材質(zhì)，在 Altair 復(fù)合材料優(yōu)化軟件和服務(wù)的支持下打造而成。
Altair 在 2015 年 4 月收購(gòu)了 MDS 的開(kāi)發(fā)者 Multiscale Design Systems。
展開(kāi) 主動(dòng)變形智能復(fù)合材料設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告 ￥19.89
在通電條件下，MFC發(fā)生電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)生變形。主動(dòng)變形智能復(fù)合材料的變形能力與MFC的性能、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的厚度、鋪層方向等因素有關(guān)。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)是其結(jié)構(gòu)包括鋪層的可設(shè)計(jì)性，因此，需進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)及變形模擬方面的工作，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。
二、研究?jī)?nèi)容
本項(xiàng)目以復(fù)合材料層合板+MFC復(fù)合后的材料為研究對(duì)象，以復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能、MFC的基本性能為輸入，以復(fù)合材料層合板+MFC復(fù)合后的材料最大彎曲角度為2°為目標(biāo)，進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)和變形仿真模擬。建立厚度、鋪層方式與變形角度的關(guān)系，篩選出優(yōu)化的鋪層和厚度，為下一步進(jìn)行縮比典型試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)和研制提供理論指導(dǎo)。
展開(kāi) 碳纖維復(fù)合材料主要研究、算法分析及軟件工具，及高速計(jì)算工作站/集群硬件配置推薦
高性能復(fù)合材料（尤其是航空、航天、汽車和風(fēng)電結(jié)構(gòu)中的碳纖維復(fù)合材料（CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer））的核心研究方向。下面我給出一個(gè)科研和工程設(shè)計(jì)層面系統(tǒng)化的總結(jié)，包括研究方向 、算法、軟件、硬件配置推薦。
一、主要研究方向
碳纖維復(fù)合材料的研究主要分為材料設(shè)計(jì)、力學(xué)性能分析、制造工藝與結(jié)構(gòu)仿真、失效與壽命預(yù)測(cè)四大類：
研究方向
主要內(nèi)容
1.復(fù)合材料微觀建模
單纖維-樹(shù)脂界面模型、纖維分布統(tǒng)計(jì)模型、多尺度本構(gòu)關(guān)系；研究纖維、界面和基體的耦合機(jī)理。
2.層合板/結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析
各向異性彈性分析、層間剪切應(yīng)力、層合板屈曲、沖擊、振動(dòng)、熱-力耦合行為。
3.制造工藝模擬
熱固化（固化動(dòng)力學(xué)、放熱模型）、樹(shù)脂流動(dòng)（RTM/VARI）、鋪層殘余應(yīng)力與變形預(yù)測(cè)。
4.失效與損傷演化
纖維斷裂、基體開(kāi)裂、層間脫粘、沖擊損傷擴(kuò)展、疲勞壽命與斷裂機(jī)理。
5.多尺度建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)
從纖維-樹(shù)脂微結(jié)構(gòu)到整體構(gòu)件宏觀響應(yīng)的多尺度模擬與參數(shù)優(yōu)化（常與AI結(jié)合）。
展開(kāi) 
ESAComp-專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件
ESAComp 是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)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(jié)果顯示，多級(jí)別的專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kuò)展功能。
這里有詳細(xì)介紹:
http://www.caenet.cn/Product/Product.aspx?SoftwareID=117
準(zhǔn)確預(yù)測(cè)應(yīng)力和裂縫傳播，復(fù)合材料仿真軟件助力3D打印釋放工業(yè)再設(shè)計(jì)潛力
將不同的材料進(jìn)行的混合打印，理論上未來(lái)3D打印將可以任意地制造新的材料，而這只需你對(duì)材料的特性進(jìn)行更好地定義，這將對(duì)產(chǎn)品的工業(yè)再設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一個(gè)巨大的突破。
當(dāng)前關(guān)于復(fù)合材料的建模方面，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）于2016年就開(kāi)發(fā)了名為Foundry的面向多材料設(shè)計(jì)的軟件，使得多材料3D打印更容易、更精確的。
而關(guān)于如何精確的預(yù)測(cè)復(fù)合纖維的結(jié)合度，預(yù)測(cè)纖維與樹(shù)脂的結(jié)合程度，微觀呈現(xiàn)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，以及預(yù)測(cè)復(fù)合材料的缺陷，這些都需要專門的復(fù)合材料仿真軟件。
圖片來(lái)源：3ders.org
MultiMechanics總部位于內(nèi)布拉斯加州奧馬哈市，是仿真軟件開(kāi)發(fā)商，旨在幫助企業(yè)減少物理原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。 MultiMech采用基于物理場(chǎng)的方法，命名為TRUE Multiscale技術(shù)，這是一種完全耦合的雙向多尺度有限元求解器，能夠同時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和可視化多個(gè)尺度的應(yīng)力和裂縫傳播。 MultiMech最初是MultiMechanics開(kāi)發(fā)的一個(gè)獨(dú)立的工具，現(xiàn)在可以嵌入到眾多計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件平臺(tái)中，軟件合作伙伴包括Anysys, 達(dá)索，歐特克，Altair等等，因此工程師可以在其首選工作流程中執(zhí)行并行多尺度分析。
根據(jù)中關(guān)村在線的報(bào)道，最近MultiMechanics與專注于復(fù)合材料系統(tǒng)的波士頓增材制造公司Fortify宣布建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，以提高復(fù)合3D打印的可預(yù)測(cè)性。
作為合作伙伴關(guān)系的一部分，F(xiàn)ortify將使用MultiMechanics的旗艦產(chǎn)品MultiMech在打印之前預(yù)測(cè)打印部件的結(jié)構(gòu)完整性，并通過(guò)控制整個(gè)結(jié)構(gòu)中的纖維取向來(lái)幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)，由此生產(chǎn)的3D打印復(fù)合材料部件充分利用了復(fù)合材料的強(qiáng)度和重量?jī)?yōu)勢(shì)，達(dá)到了之前無(wú)法達(dá)到的分辨率和復(fù)雜程度。
展開(kāi) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來(lái)龍去脈
在發(fā)表的文獻(xiàn)中給出了當(dāng)時(shí)波音民用飛機(jī)使用的復(fù)合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線（見(jiàn)圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國(guó)內(nèi)從1985年開(kāi)始沖擊損傷的研究，在中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度所建立了壓縮下沖擊的試驗(yàn)設(shè)備及開(kāi)展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。這項(xiàng)研究在航空用復(fù)合材料體系的研發(fā)和復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證中得到應(yīng)用。1980年代國(guó)內(nèi)開(kāi)始軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制，當(dāng)時(shí)首先遇到的問(wèn)題是沒(méi)有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，特別是當(dāng)時(shí)作為設(shè)計(jì)入門的國(guó)外某公司《復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)》中給出一組設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2），從文獻(xiàn)可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結(jié)構(gòu)極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結(jié)構(gòu)在極限載荷下的設(shè)計(jì)許用值一般采用材料的極限強(qiáng)度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強(qiáng)度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識(shí)。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)軍機(jī)采用T300碳纖維，但使用國(guó)內(nèi)研制的樹(shù)脂，其設(shè)計(jì)值該如何確定成了航空復(fù)合材料界的難題，航空界進(jìn)行了研究和向國(guó)外專家咨詢，但始終沒(méi)有解決（關(guān)于許用值與設(shè)計(jì)值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應(yīng)變的確定與沖擊損傷有關(guān)。在此背景下，當(dāng)年作者提出了確定設(shè)計(jì)值的一種工程方法：鑒于設(shè)計(jì)值與沖擊損傷有關(guān)，且國(guó)外該公司所用的材料體系是T300/5208，而文獻(xiàn)中提供了該材料體系典型結(jié)構(gòu)鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線的門檻值為2800με，只要將國(guó)內(nèi)軍機(jī)所用材料同樣結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線門檻值與其進(jìn)行比較，即可確定國(guó)內(nèi)軍機(jī)所用材料體系的壓縮設(shè)計(jì)值。在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)比較缺乏的1990年代，根據(jù)作者提出的這種確定壓縮設(shè)計(jì)值的簡(jiǎn)便方法，解決了軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制中遇到的一系列問(wèn)題。
展開(kāi) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來(lái)龍去脈
在發(fā)表的文獻(xiàn)中給出了當(dāng)時(shí)波音民用飛機(jī)使用的復(fù)合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線（見(jiàn)圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國(guó)內(nèi)從1985年開(kāi)始沖擊損傷的研究，在中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度所建立了壓縮下沖擊的試驗(yàn)設(shè)備及開(kāi)展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。這項(xiàng)研究在航空用復(fù)合材料體系的研發(fā)和復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證中得到應(yīng)用。1980年代國(guó)內(nèi)開(kāi)始軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制，當(dāng)時(shí)首先遇到的問(wèn)題是沒(méi)有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，特別是當(dāng)時(shí)作為設(shè)計(jì)入門的國(guó)外某公司《復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)》中給出一組設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2），從文獻(xiàn)可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結(jié)構(gòu)極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結(jié)構(gòu)在極限載荷下的設(shè)計(jì)許用值一般采用材料的極限強(qiáng)度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強(qiáng)度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識(shí)。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)軍機(jī)采用T300碳纖維，但使用國(guó)內(nèi)研制的樹(shù)脂，其設(shè)計(jì)值該如何確定成了航空復(fù)合材料界的難題，航空界進(jìn)行了研究和向國(guó)外專家咨詢，但始終沒(méi)有解決（關(guān)于許用值與設(shè)計(jì)值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應(yīng)變的確定與沖擊損傷有關(guān)。在此背景下，當(dāng)年作者提出了確定設(shè)計(jì)值的一種工程方法：鑒于設(shè)計(jì)值與沖擊損傷有關(guān)，且國(guó)外該公司所用的材料體系是T300/5208，而文獻(xiàn)中提供了該材料體系典型結(jié)構(gòu)鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線的門檻值為2800με，只要將國(guó)內(nèi)軍機(jī)所用材料同樣結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線門檻值與其進(jìn)行比較，即可確定國(guó)內(nèi)軍機(jī)所用材料體系的壓縮設(shè)計(jì)值。在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)比較缺乏的1990年代，根據(jù)作者提出的這種確定壓縮設(shè)計(jì)值的簡(jiǎn)便方法，解決了軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制中遇到的一系列問(wèn)題。
展開(kāi) 碳纖維復(fù)合材料車門多位一體研發(fā)技術(shù)
本文中的碳纖維復(fù)合材料外板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形流暢光順，在所選預(yù)浸料布幅足夠的情況下直接整體鋪覆；內(nèi)板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了滿足預(yù)浸料鋪覆的工藝性，需要分塊鋪覆。
基于西門子Fibersim復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件，對(duì)外板和內(nèi)板的各鋪層方向織物的鋪覆性進(jìn)行了分析和優(yōu)化，內(nèi)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(nèi)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(nèi)板鋪覆性效果
鋪層展開(kāi)圖用于復(fù)合材料車門的制造，導(dǎo)出數(shù)據(jù)可以直接作為自動(dòng)裁布機(jī)可識(shí)別的信息。碳纖維復(fù)合材料車門內(nèi)板0/90°方向鋪層展開(kāi)圖如圖4.3所示。
圖4.3 車門內(nèi)板鋪層展開(kāi)圖
5 連接設(shè)計(jì)與裝配
在復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)技術(shù)中，一般需要考慮到結(jié)構(gòu)件傳遞載荷的大小、連接部位的重要程度、被連接件的材料特性等因素，除此之外還要從環(huán)境狀況、可檢測(cè)性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和制造成本等方面進(jìn)行考慮。復(fù)合材料連接一般分為機(jī)械連接、膠接及混合連接。
5.1機(jī)械連接
圖5.1 機(jī)械連接示意圖
5.2膠接連接
復(fù)合材料的膠接是指借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體，是一種較實(shí)用、有效的連接工藝技術(shù)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接中應(yīng)用較普遍。膠粘連接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式也是多種多樣的，根據(jù)被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據(jù)材料的粘接方式又可分為對(duì)接、搭接、插接、階梯搭接等等。膠接連接示意圖如圖5.2所示。
圖5.2 膠接連接示意圖
5.3混合連接
圖5.3 混合連接示意圖
6 工藝成型及加工處理
6.1工藝成型
先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型與制造技術(shù)基本上可分為兩大類，即濕法成型和干法成型。
展開(kāi) 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和航空設(shè)計(jì)復(fù)合材料（附案例視頻）
航空排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，要求工程師設(shè)計(jì)輕型飛機(jī)部件，同時(shí)開(kāi)發(fā)周期不斷縮短。
本次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)探討了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)以及復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造的進(jìn)步如何幫助航空航天企業(yè)重塑現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并用這些新技術(shù)開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品。
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關(guān)于復(fù)合材料設(shè)計(jì)清單
1、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ):
復(fù)合材料本身是非均質(zhì)、各向異性材料，因此，復(fù)合材料力學(xué)在經(jīng)典非均質(zhì)各向異性彈性力學(xué)基礎(chǔ)上得到迅速發(fā)展。
復(fù)合材料不僅是材料，更確切的說(shuō)是結(jié)構(gòu)。
2、固體力學(xué)：一次結(jié)構(gòu)、二次結(jié)構(gòu)、三次結(jié)構(gòu)。
1）一次結(jié)構(gòu)是指由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能
2）二次結(jié)構(gòu)是指由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列)
3）三次結(jié)構(gòu)是指通常所說(shuō)的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。
3、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)：
1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸；
2）鋪層設(shè)計(jì)：對(duì)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(shè)計(jì)：正確選擇增強(qiáng)材料、基體材料及其配比，決定單層板的性能。
4、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程
1）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是選用不同材料綜合各種設(shè)計(jì)（如層合板設(shè)計(jì)、典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)等）的反復(fù)過(guò)程；
2）需考慮的一些主要因素：結(jié)構(gòu)質(zhì)量、研制成本、制造工藝、結(jié)構(gòu)鑒定、質(zhì)量控制、工裝模具的通用性、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；
3）明確設(shè)計(jì)條件：如性能要求、載荷情況、環(huán)境條件、形狀限制等；
4）材料設(shè)計(jì)：包括原材料選擇、鋪層性能的確定、復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)等；
5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件（如桿、梁、板、殼等）的設(shè)計(jì)，以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（如剛架、硬殼式結(jié)構(gòu)等）的設(shè)計(jì)。
5、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件：
1）結(jié)構(gòu)性能要求：結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全；
提供裝置各種配件、儀器等附件的空間。
展開(kāi) 
設(shè)計(jì)仿真 | Marc 復(fù)合材料分層仿真分析
當(dāng)然，這會(huì)隨VCCT和粘性材料的選定值而變化。
圖6 VCCT的整體變形形狀
圖7 復(fù)合材料接觸狀態(tài)
新能源汽車碳纖維復(fù)合材料車門輕量化設(shè)計(jì)
摘 要：以某款新能源汽車的鋼制車門為分析對(duì)象，借助HyperWorks有限元軟件，對(duì)車門進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)性能分析。以分析結(jié)果為參考，采用等質(zhì)量替換法，建立碳纖維復(fù)合材料車門的有限元模型。以復(fù)合材料車門質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，靜態(tài)性能為約束條件，進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、鋪層順序優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化結(jié)果規(guī)整后進(jìn)行性能驗(yàn)證。結(jié)果表明，獲得的優(yōu)化方案在滿足性能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了車門減重48.3%，完成了車門的輕量化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：新能源;碳纖維復(fù)合材料;HyperWorks;拓?fù)鋬?yōu)化;輕量化;
0 引言
汽車輕量化是在保證其基本的使用性能、安全性和其成本控制要求的前提下，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面，應(yīng)用新設(shè)計(jì)、新材料、新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉(zhuǎn)變。材料輕量化是實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計(jì)的主流方向之一。作為車身的關(guān)鍵部件之一，車門需要保證足夠的剛度、強(qiáng)度，從而使整車具有良好的安全、振動(dòng)噪聲和耐久性能。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其優(yōu)異的綜合性能、高比強(qiáng)度和比模量和靈活的可設(shè)計(jì)性在眾多新型輕量化材料中脫穎而出。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度僅為鋼材密度的20%，鋁合金密度的60%，其應(yīng)用可以使車身減輕30%～60%[1]，其質(zhì)量?jī)H為鋼的1/4，強(qiáng)度則是鐵的10倍[2]，是一種理想的輕量化替換材料。陳靜等[3]的研究表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的碳纖維材料電池箱在質(zhì)量減少的同時(shí)，提高了剛度和模態(tài)頻率；陳偉[4]將碳纖維材料引入汽車B柱支撐板，在確保碰撞性能的情況下減重55%。商業(yè)領(lǐng)域中，碳纖維材料已經(jīng)大量應(yīng)用在寶馬、奧迪等量產(chǎn)車型的車身結(jié)構(gòu)中[5]；薛嬌[6]基于傳統(tǒng)金屬材料的汽車B柱，使用等代設(shè)計(jì)的方法將原有的金屬材料替換成碳纖維復(fù)合材料，并在有限元軟件中進(jìn)行仿真分析。
展開(kāi) 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
強(qiáng)度與剛度
既然是結(jié)構(gòu)部件，那么設(shè)計(jì)者首先要考慮的是強(qiáng)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(gè)能力又是有限度的。
如何確定部件的使用載荷，不會(huì)超出部件的能力極限，是通過(guò)材料力學(xué)計(jì)算得出。而部件的這個(gè)能力極限，就是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者需要考慮的問(wèn)題。
通過(guò)合理的搭配纖維和樹(shù)脂，優(yōu)化纖維排布，用最少的材料，滿足設(shè)計(jì)需求，體現(xiàn)了復(fù)合材料設(shè)計(jì)者精湛的技巧。不過(guò)決定復(fù)合材料強(qiáng)度與剛度的因素，不但與纖維和樹(shù)脂的種類有關(guān)，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結(jié)合搭配有關(guān)。
所以，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件時(shí)，需要考慮三個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。
由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能。
由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。
最頂層結(jié)構(gòu)是指通常所說(shuō)的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。
穩(wěn)定性
除了強(qiáng)度與剛度要求，設(shè)計(jì)者還需考慮復(fù)合材料部件的失穩(wěn)，尤其是對(duì)一些細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，在受壓時(shí)，應(yīng)該能夠保證其原有的直線平衡狀態(tài)。對(duì)于一些框架結(jié)構(gòu)部件，如果鋪層不均勻，也會(huì)產(chǎn)生翹曲失穩(wěn)，所以在制造過(guò)程中尤其注意。最好采用對(duì)稱鋪層，以防變形不均勻。
一般情況下，在部件沒(méi)有達(dá)到極限載荷之下，不允許產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。但是如果對(duì)于一些特殊要求，可以產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，那么設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮失穩(wěn)過(guò)程不會(huì)因此影響極限載荷。
鋪層結(jié)構(gòu)
鋪層結(jié)構(gòu)是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如何把單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能傳遞到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件上，鋪層結(jié)構(gòu)起到承上啟下的作用。
展開(kāi) 聚氨酯復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
——可設(shè)計(jì)性
（3）規(guī)范中要求復(fù)合材料電桿的力學(xué)性能指標(biāo)相對(duì)較高，需要在滿足工藝條件，進(jìn)行嚴(yán)格的鋪層設(shè)計(jì)才能達(dá)到。
（4）復(fù)合材料電桿的承載力一般需要實(shí)驗(yàn)確定。如何根據(jù)承載力的需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做到主動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。這是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最高境界。
3. 纏繞式聚氨酯復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）準(zhǔn)備工作：由設(shè)計(jì)條件：氣候條件（如溫濕度等）、荷載、長(zhǎng)度等，初步選擇電桿的標(biāo)準(zhǔn)荷載級(jí)別、制造工藝和原材料。
以12m長(zhǎng)、M級(jí)的電桿為例，以聚氨酯樹(shù)脂與E玻璃纖維為基體和增強(qiáng)纖維，采用定長(zhǎng)纏繞成型工藝制作。
（2）初步鋪層設(shè)計(jì)：為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能參數(shù)，進(jìn)行初步的鋪層設(shè)計(jì)。
注意：因?yàn)殡姉U存在錐度，各處的厚度是不相等的！
單層材料的力學(xué)性能由實(shí)驗(yàn)得到，或者在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的理論計(jì)算得到；根據(jù)經(jīng)典層合板理論得到層合板的力學(xué)性能參數(shù)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的工藝水平，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
（3）結(jié)構(gòu)計(jì)算：建立電桿結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)承載力作用下的結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析。必要時(shí)調(diào)整鋪層設(shè)計(jì)。
?有限元法是結(jié)構(gòu)分析的強(qiáng)有力的工具。
?ANSYS是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，為工程界和學(xué)術(shù)界普遍應(yīng)用。在復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的研究、分析、數(shù)值模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。
?由于復(fù)合材料材料的各向異性及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用有限元方法是目前最有效的分析計(jì)算方法。
?利用有限元方法可以計(jì)算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中任意點(diǎn)任意鋪層的各個(gè)方向的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移，或者其他力學(xué)響應(yīng)，給出全場(chǎng)顯示；并且選用強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度分析。
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