航空、復合材料飛機的案例
Abaqus在飛機復合材料中的應用 附abaqus官方復合材料教材下載
復合材料的應用
復合材料有許多特性：
? 制造工藝簡單
? 比強度高，比剛度大
? 具有靈活的可設計性
? 耐腐蝕，對疲勞不敏感
? 熱穩定性能、高溫性能好
由于復合材料的上述優點，在航空航天、汽車、船舶等領域，都有廣泛的應用。在下一代飛機設計中，復合材料的大量應用對分析技術提出新的挑戰。例如在某客機各種材料的使用狀況，其中復合材料的比例約為50%。
借助于多層殼、實體殼及實體單元可以建立復雜的復合材料模型，這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層，材料方向允許變化。Abaqus提供的失效準則有最大應變失效準則、最大應力失效準則和Tsai—Wu失效準則等，用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準則。Abaqus的復合材料功能特別適合于大量應用復合材料的新型飛行器。
Abaqus/CAE中復合材料的建模技術
在Abaqus/CAE中，有專門的復合材料設計模塊plyup。應用該模塊可對復合材料進行鋪層設計。對于每一個鋪層，可以選擇鋪層應用的區域、使用的材料、鋪層的鋪設角度、厚度等。對于鋪層較多的結構件，Abaqus/CAE提供了很方便的檢查手段，可顯示鋪層沿厚度方向將每一層分離展示，一目了然，這也是數字化設計的一大優點。
后處理模塊中，可以顯示每一個鋪層厚度方向上的應力、位移、損傷云圖，也可以顯示復合材料厚度方向上變量的變化曲線。
復合材料建模模塊（CMA）
通常情況下，在進行仿真分析中，復合材料鋪層都是按照理想設計進行分析的。而在復合材料實際的加工制造過程中，纖維鋪層不可避免地會發生折疊、交錯，因此纖維的方向以及鋪層的厚度都會發生變化。如果再按照理想設計的復合材料鋪層去進行分析計算，就得不到真實結構的力學性能。
展開 全球復合材料供需基本平衡 航空航天領域成碳纖維復合材料最大應用市場
1、玻璃纖維復合材料需求結構
玻纖具有輕質量、高強度、耐高低溫、耐腐蝕、隔熱、阻燃、吸音、電絕緣等優異性能以及一定程度的可設計性，因此在交通運輸、建筑、電子電器、管道、化工、環保以及國防軍工等領域實現較大規模應用。
在全球玻纖消費市場中，玻纖的主要應用領域集中在建筑、交通運輸、工業應用、電子電氣、新能源等領域，占比分別達32%、28%、21%、11%和8%。
2、碳纖維復合材料需求結構
目前，航空航天領域是碳纖維主要應用領域之一，這主要得益于碳纖維具有質輕、高強度的屬性。碳纖維相對于鋼或鋁，減重效果可以達到20%至40%，在航空航天領域，主要應用于飛機的結構材料（占飛機重量的30%左右），因此綜合來看碳纖維的使用能使飛機重量減輕6%至12%，從而顯著地降低飛機的燃油成本。在航空航天領域，碳纖維最早用于人造衛星的天線和衛星支架的制造，同時因其耐熱耐疲勞的特性，碳纖維在固體火箭發動機殼體和噴管上也得到了廣泛應用。
除航空航天領域以外，碳纖維復合材料也廣泛應用于體育用品、風電行業、汽車制造、船舶、電子電氣等領域。從需求占比來看，目前航空航天、體育用品、風電行業、汽車制造幾大領域的需求規模占比分別為48%、13%、12%、8%。其他應用領域占比均在5%及以下。
綜上所述，目前，全球復合材料行業供需基本平衡。份地區來看，北美地區復合材料行業產值最高，產業結構高端，而中國大陸地區雖然產值較高，但產業結構較低端。從應用領域來看，玻璃纖維復合材料在建筑、交通運輸、工業應用領域應用廣泛，而碳纖維復合材料在航天航空、體育休閑、風電葉片領域應用廣泛。
展開 航空運輸飛機的材料為什么非得要用鈦合金？
它重量輕、強度大又耐高溫，特別適于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業。許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。
四、鈦合金的航空應用
鈦合金主要用于飛機及發動機的制造材料，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。航天器主要利用鈦合金的高比
強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。
航空運輸飛機的材料為什么非得要用鈦合金??？
1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術的發展，在火箭、人造衛星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。飛機越先進，使用的鈦越多。美國F—14A戰斗機使用的鈦合金，約占機重的25%；F—15A戰斗機為25.8%；美國第四代戰斗機用鈦量為41%，其F119發動機用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機。
五、鈦合金在航空中被大量應用的原因
現代飛機的航行最高時速已達到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行，會使飛機與空氣摩擦而產生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時，鋁合金就經受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。當航空發動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應地從200～300℃增加到500～600℃時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金。
展開 納米復合材料或將成為下一代航空材料
納米復合材料或將成為下一代航空材料
一代材料，一代飛機
1903年，萊特兄弟制造的世界上第一架飛機“飛行者一號”邁出了人類征服空天的第一步，彼時的飛機機體主要由木材和布制成。
20世紀20年代，高強度的鋼和鋁合金逐漸代替了木材，為飛機插上了鋼鐵之翼。
50年代，耐熱性更好的鈦合金開始登上歷史舞臺。
80年代，高性能鋁合金以其輕質高強的特性逐漸獲得人們的青睞，成為飛機機體的主要結構材料。
21世紀，復合材料以其更低的密度、更高的強度以及強大的可設計性等諸多特點開始代替部分傳統材料，大型客機A350和B787上高性能復合材料用量均達到飛機結構用量的50%以上。
未來，航空材料又將走向何方？歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
納米材料研發
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等。“這是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作?！笨湛停ū本┕こ碳夹g中心總經理程龍說。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。
展開 
納米復合材料或將成為下一代航空材料
納米復合材料或將成為下一代航空材料
一代材料，一代飛機
1903年，萊特兄弟制造的世界上第一架飛機“飛行者一號”邁出了人類征服空天的第一步，彼時的飛機機體主要由木材和布制成。
20世紀20年代，高強度的鋼和鋁合金逐漸代替了木材，為飛機插上了鋼鐵之翼。
50年代，耐熱性更好的鈦合金開始登上歷史舞臺。
80年代，高性能鋁合金以其輕質高強的特性逐漸獲得人們的青睞，成為飛機機體的主要結構材料。
21世紀，復合材料以其更低的密度、更高的強度以及強大的可設計性等諸多特點開始代替部分傳統材料，大型客機A350和B787上高性能復合材料用量均達到飛機結構用量的50%以上。
未來，航空材料又將走向何方？歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
納米材料研發
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等。“這是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作?！笨湛停ū本┕こ碳夹g中心總經理程龍說。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。
展開 納米復合材料或將成為下一代航空材料
納米復合材料或將成為下一代航空材料
一代材料，一代飛機
1903年，萊特兄弟制造的世界上第一架飛機“飛行者一號”邁出了人類征服空天的第一步，彼時的飛機機體主要由木材和布制成。
20世紀20年代，高強度的鋼和鋁合金逐漸代替了木材，為飛機插上了鋼鐵之翼。
50年代，耐熱性更好的鈦合金開始登上歷史舞臺。
80年代，高性能鋁合金以其輕質高強的特性逐漸獲得人們的青睞，成為飛機機體的主要結構材料。
21世紀，復合材料以其更低的密度、更高的強度以及強大的可設計性等諸多特點開始代替部分傳統材料，大型客機A350和B787上高性能復合材料用量均達到飛機結構用量的50%以上。
未來，航空材料又將走向何方？歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
納米材料研發
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等?！斑@是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作。”空客（北京）工程技術中心總經理程龍說。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。
展開 碳纖維復合材料讓飛機更輕盈
在這款最新一代的大型飛機上，復合材料使用比例有望超過50%。同樣，在去年5月5日首飛的C919大客機上，使用的復合材料占到飛機結構重量的12%。這里的復合材料，主要就是碳纖維復合材料。
據航空專家介紹，為提高飛機的先進性、環保性，碳纖維復合材料目前是飛機輕量化的主要手段，也是未來的主流趨勢。由于具有輕質量、高強度、抗疲勞、耐腐蝕、成型工藝性良好、成本低等特點，碳纖維復合材料在航空裝備上的大量應用可有效提高性能、減輕結構重量、降低運營成本、增強市場競爭力，因此在飛機結構中的應用越來越多。
“碳纖維復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結構先進性的重要指標，也是航空公司購買飛機時的重要參考指標。大力發展航空復合材料技術已經成為國內外航空制造企業的共識。”新材料企業康得集團負責人鐘玉認為。
除了航空領域，不少固體運載火箭的復合材料殼體，也都是用碳纖維纏繞而成，高端跑車上，碳纖維更是一種主要的先進材料。專家介紹說，碳纖維是一種含碳量90%以上的無機高分子特種纖維，同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維具有比重小、強度高、模量大、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等優異性能和纖維的柔軟可加工性。和另外一種同為“碳系”的“神奇材料”石墨烯相比，碳纖維目前的商業用途更為明確。
鐘玉介紹說，作為在高端技術和工業領域重要的戰略物資之一，碳纖維的核心產業化技術及配套關鍵裝備只能通過自主研發和長期工程實踐取得。經過不懈努力，國內高性能碳纖維在基礎研究、工程化和產業化等方面突破重重困難，有了快速發展。
展開 Abaqus在飛機復合材料中的應用
復合材料有許多特性：
? 制造工藝簡單
? 比強度高，比剛度大
? 具有靈活的可設計性
? 耐腐蝕，對疲勞不敏感
? 熱穩定性能、高溫性能好
由于復合材料的上述優點，在航空航天、汽車、船舶等領域，都有廣泛的應用。在下一代飛機設計中，復合材料的大量應用對分析技術提出新的挑戰。例如在某客機各種材料的使用狀況，其中復合材料的比例約為50%。
借助于多層殼、實體殼及實體單元可以建立復雜的復合材料模型，這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層，材料方向允許變化。Abaqus提供的失效準則有最大應變失效準則、最大應力失效準則和Tsai—Wu失效準則等，用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準則。Abaqus的復合材料功能特別適合于大量應用復合材料的新型飛行器。
Abaqus/CAE中復合材料的建模技術
在Abaqus/CAE中，有專門的復合材料設計模塊plyup。應用該模塊可對復合材料進行鋪層設計。對于每一個鋪層，可以選擇鋪層應用的區域、使用的材料、鋪層的鋪設角度、厚度等。對于鋪層較多的結構件，Abaqus/CAE提供了很方便的檢查手段，可顯示鋪層沿厚度方向將每一層分離展示，一目了然，這也是數字化設計的一大優點。
后處理模塊中，可以顯示每一個鋪層厚度方向上的應力、位移、損傷云圖，也可以顯示復合材料厚度方向上變量的變化曲線。
復合材料建模模塊（CMA）
通常情況下，在進行仿真分析中，復合材料鋪層都是按照理想設計進行分析的。而在復合材料實際的加工制造過程中，纖維鋪層不可避免地會發生折疊、交錯，因此纖維的方向以及鋪層的厚度都會發生變化。如果再按照理想設計的復合材料鋪層去進行分析計算，就得不到真實結構的力學性能。
展開 samcef飛機機翼復合材料分析
在科技高速發展的今天，隨著新型復合材料被不斷的開發出來，復合材料在航天、航空、汽車、造船、建筑、電子、橋梁、機械、醫療和體育等各行業都得到了廣泛的應用。復合材料有著耐用性、重量輕、耐腐蝕、強度高、低維護等諸多優勢，更向著耐高溫、高伸長率、高韌性和多功能的高性能復合材料發展，同時，由于復合材料具有各向異性、耦合效應、層間剪切等特殊性質，因此復合材料結構的精確仿真，已成為國內外研究的重點和迫切需求。
Samcef Composites是復合材料結構分析的專業和全面解決方案，包含專門的復合材料前后處理、豐富的復合材料單元及失效準則、以及幾乎所有類型的復合材料分析能力。Samcef Composites軟件在復合材料非線性分析能力如后屈曲、分層破壞及裂紋擴展分析、計算結果的準確性以及高效處理大規模問題的能力方面均處于業界的頂尖地位，并在歐盟的多個項目中得到驗證。在復合材料有限元、多體動力學及與控制的耦合分析方面也具有獨特的優勢。Samcef Composites與集復合材料設計/分析和生產為一體的FIBERSIM無縫集成，可以幫助工程師們隨意的構造復合材料模型，進行仿真模擬，為有限元分析和生產提供相關的復合材料分析/制造參數及材料加工數據。Samcef Composites在歐洲航空航天業界有著非常廣泛的應用，空客已經采用Samcef Composites做復合材料結構分析有二十余年，基于CAESAM平臺和SAMCEF求解器打造的結構分析平臺ISAMI更是被空客全球及其供應商作為統一的結構分析平臺使用。
展開 某型飛機復合材料整流罩優化設計
某型飛機復合材料整流罩優化設計
1引言
現在航空航天工業中，減輕設計重量和縮短設計周期是2個突出的問題。結構優化被證明在這2個方面是非常有效的工具。HyperWorks中的OptiStruct在結構優化領域受到了眾多航空企業的認可并大量應用。
針對金屬結構，通過兩步法進行優化設計。第一步，通過拓撲優化方法得到概念設計；第二步，用參數優化和形狀優化方法對設計細節進行進一步優化。復合材料給設計帶來了很多可變因素，所以優化也更為復雜。針對纖維增強復合材料層合板，主要應用復合材料三步法優化方法。第一步，運用自由尺寸優化，考慮到鋪層方向，給出材料的總體分布，得到每個角度鋪層的厚度分布；第二步，考慮到所有的制造加工約束和工況載荷，對每個角度鋪層進行尺寸優化，得到每個角度鋪層的精確厚度分布和沒有角度的鋪層數量；第三步，進行鋪層順序優化，得到滿足制造工藝要求的鋪層順序。這種方法已經在OptiStruct中實現并為眾多航空企業所應用。
本案例基于OptiStruct軟件通過復合材料三步優化方法對某型飛機復合材料整流罩進行了優化設計，最終實現了減重目標。
2模型簡介
整流罩模型如圖 1所示，長度為3000mm，寬度為2000mm。模型材料屬性為碳纖維復合材料，初始鋪層為[0/45/-45/90]，單層厚度為2mm，單層板材料屬性如表 1所示。載荷工況包括2個：一個是0.02MPa內部均布壓力載荷工況；另一個是+Z向6.75g過載工況。模型中有2個負載，分別為2kg和3kg，通過RBE3單元施加到整流罩上，另外對模型四邊施加固定約束，如圖 2所示。整流罩的設計中需要考慮兩者關鍵指標：一是一階固有頻率不小于20Hz，二是結構最大應變小于1000微應變。
展開 內地首架A350復合材料飛機體驗
記者了解到，A350-900客機機體復合材料應用占比達到70%，其中碳纖維復合材料達到53%，使機體重量更輕、強度更大，再加上全新設計的發動機，讓乘客在飛行途中可免于噪音打擾。此外，機艙還提供空中WIFI服務，實現了“空中上網”。調機航班在經過約10小時的飛行后平穩降落在北京首都國際機場。抵達航空公司總部后，新飛機不會馬上執行飛行任務，而是組織空乘人員進行培訓。大約一周后，飛機將進行客運飛行。
（來源：復材網）
航空發動機上典型復合材料的應用
過去，航空發動機性能的提高有三分之一歸功于新材料的采用，今后這個比例還將升高。如今，環境與能源問題逐漸成為人們關注的焦點，復合材料作為末來材料發展的主流，必將發揮更重要的作用。（來源：中國航發研究院）
航空航天新復合材料…
文末可以免費領取西門子官方《航空航天及國防行業的復合材料趨勢》PDF文檔，以了解航空航天的復合材料新趨勢，同時了解回彈和制造規劃。
復合材料已在民用飛機的結構上廣泛應用。復合材料的最大優點是耐腐蝕和對疲勞不敏感，以及可以有效的減輕飛機的重量。因此研究飛機復合材料維修具有較高的實際工程意義。
1 飛機復合材料
1.1應用種類
飛機復合材料結構通常被稱為"纖維增強塑料"。這是因為它使用高強度的纖維增強材料，嵌入在一種樹脂基體里，以層或層片的形式疊加起來，形成層板。然后使用一種精確控制的加壓加熱工藝把該層板固化為一種非常堅固和堅硬的結構。
組成飛機復合材料的組元有纖維增強材料，基體和界面層。
纖維增強材料體是承載的組元，均勻地分布在基體中，并對基體起增強（韌）作用；
基體是起著連接纖維增強材料，使復合材料獲得一定的形狀，并保護纖維增強材料的作用；
界面層是包覆在增強體外面的涂層，其功能是傳力，同時防止基體對纖維增強材料的損傷，并調節基體與纖維增強材料之間的物理、化學結合狀態，確保纖維增強材料作用的發揮。
通過界面層產生的復合效應，可以使復合材料超越原來各組元的性能，達到最大幅度改善強度或韌性的目的。飛機復合材料不但是多組元的材料，而且，材料的機械性能和物理性能隨方向而變化，也是各向異性的材料。
2 復合材料的損傷
2.1復合材料基體樹脂裂紋損傷
復合材料層合板在承受拉伸載荷或交變載荷時，我們首先能在偏軸層內觀察到基體裂紋。
展開 高于金屬強度的聚合物復合材料減輕飛機重量
Kepman為首的羅蒙諾索夫莫斯科國家大學的科研團隊正在開發結構性聚合物復合材料以用于車輛部件及航空航天工業的結構性零件的生產。此類零部件對材料要求更加嚴格，需要高性能聚合物復合材料。研究人員已經在雜志《應用聚合物科學》上發布了他們的項目成果。材料結構以聚合物為基質，并包含一種獨立的其他加強材料（填料）。舉例來說，在碳纖維增強復合材料中（CFRP），碳纖維是作為一種加強材料存在的，而聚酯或環氧樹脂，雙馬來酰亞胺，聚酰亞胺等其他聚合物構成基質。
一架現代飛機，比如“夢幻飛機”波音787包含50%的聚合物復合材料。一架戰斗機，比如歐洲臺風戰斗機包含70%的聚合物復合材料。開發中的耐高溫聚合物復合材料有朝一日將取代現有發動機里的金屬部件（如低壓噴氣式壓縮機葉片）或超音速飛行器的外殼。
化學家在以二肽腈單質為啟始材料的聚合物材料分子設計中采用了一種新方法，他們創造新材料的同時也改進了制備方式，這種方法不同于大多數現行的肽腈法，可被用于以注射法更經濟的生產CFRP。此法可以最少的零部件組裝數量生產高強度復雜外形的CFRP。
鈦合金或鋁合金的單克價格遠低于同樣重量的這種復合材料。不過，據研究員Boris Bulgakov介紹，生產和維護大型復雜外形的聚合物復合材料部件則要遠遠便宜于合金。這種性價比優勢產生于大幅下降的組裝工序人工成本，以及碳纖維結構的高強度水平。
Boris Bulgakov解釋說“比如，一張聚合物復合材料機翼是由10塊部件固定在一起，那么同樣的金屬機翼就需要100塊零件，這意味著金屬機翼的生產成本更高。而且CFRP的強度是鋁合金的6到8倍，而密度則比鋁合金輕1.5倍?！?聚合物復合材料正被廣泛應用于高檔汽車、F1方程式賽車、飛機和航天飛船的生產。飛機重量減輕可使燃油消耗減少，有效負重加大。因此聚合物復合材料的高生產成本由低油耗及高載重所補償。
展開 預測飛機復合材料組件在固化過程中的扭曲
預測飛機復合材料組件在固化過程中的扭曲
