复合材料在前述行业的轻量化结构应用

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2020年的前三分之一时间，我们在不断见证历史，科技战、贸易战、新冠疫情、负油价轮番上演，而由此也引发内外需不足、各行业竞争加剧、盈利疲弱。因此，帮助各行业（特别是航空航天供应商、交通运输、工业设备、风电、体育器材行业）的机械结构工程师，进行合理的结构轻量化设计并优化产品性能，对于加强产品竞争力、加快产品上市、降低整体成本至关重要。众所周知，在以往数十年复合材料在前述行业的轻量化结构应用越来越广泛，并涌现大量的复材成型制造工艺，例如手工铺放、缠绕、编织，自动铺带、自动铺丝，各有优势，但也各有遗憾，最重要一个门槛就是应用成本高、生产效率偏低。

今天我们探讨面向复合材料层压成型的设计在结构轻量化方面的最新进展，也一窥仿真对复合材料产品研制的巨大推动作用。层压成型是指将平面铺叠强压到模具面、并使铺层从2D平面形状变为3D形状的工艺；一般有对模冲压成型、夹持冲模成型、弹性隔膜成型等形式，工装模具类似金属成型，适用各种形状的坯料，因此能够大量快速生产，并大大降低原始部件的重量和成本。

层压制品强度和表面粗糙度较高，应用范围较广，例如汽车上应用于排挡座框，飞机上应用于替换大量的原金属压延件、引深件、梁型件、长桁和发动机舱前缘件，典型例如A400M机翼大梁。

[img=661,187][/img]图2：层压成型工艺的常见类型

当然，层压成型工艺也有很多技术问题需要解决，最典型的就是制品的质量控制问题，例如铺层发生变形、滑移、褶皱、质量不够稳定。但采用传统的实物试错法摸索最佳实践经验，将耗费大量的成本、时间和精力。因此层压成型工艺流程也迫切需要改进优化，而引入仿真驱动的复合材料设计则很好地解决前述问题。我们可以通过灵活的快速仿真和详细仿真手段提前预测成型工艺中可能发生的问题，并优化设计克服之。总的流程如下图所示：

[img=659,314][/img]图3：复合材料成型设计流程概览

01第一步：复合材料铺层设计

在CATIA复材成型设计环境中，使用复材设计技术直接创建或操作铺层。如需更多的高级复材设计方法，例如结构网格法、实体切片法、传统区域法、Excel导入法，可切换到其他复材设计模块去使用。

[img=559,185][/img]图4：众多复合材料铺层设计法

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第二步：快速仿真：设置及运行

对铺层进行成型工艺可制造性分析之快速仿真。经过简单设置，即可执行快速成型仿真以识别无法成型的几何。值得一提的是，此处使用CFM(即源于所收购Simulayt先进技术的CATIA纤维建模器) 新的“无摩擦”算法，进行几何层面的变形仿真。该算法是针对成型与传统手工铺放的区别而开发：手工铺放仿真的是，铺层从初始种子点开始逐渐铺放；成型仿真的是，整个复材单层板在成型过程中同时铺放。

[img=561,230][/img]图5：复合材料手工铺放与层压成型的区别

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第三步：快速仿真：仿真评估

由于快速仿真不使用有限元分析，所以能够很快得到仿真结果，我们可以预测铺层大概的几何变形。首先通过表格摘要整体评估最大偏差、最大剪切变形；然后通过3D云图显示剪切变形、偏差、滑移等工艺缺陷；最后获得详细的可制造性分析报告，内容包括所预测的实际成型结果以及增量结果，报告可导出xls、xlsx、txt等供后续使用。

[img=560,121][/img]图6：复合材料成型快速仿真结果评估

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第四步：详细仿真：设置

如果想得到更精确的仿真预测结果，需要进行基于有限元分析的详细仿真。首先需要设置仿真的载荷工况。坯料形状可用快速仿真得到的坯料自动填充。设计员自行调整网格大小。可以分析、比较多个成型场景，例如不考虑、或扩展考虑工装载荷选项，这样得到的仿真结果更精确逼真。

[img=525,220][/img]图7：复合材料成型快速仿真输出坯料形状用于详细仿真

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第五步：详细仿真：校核及运行

预览层压成型详细仿真的设置，随时校核场景设置、利用用户定义的分辨率即时划分网格；预览载荷，主要是预览校核用户所定义的运动（工步）是否符合预期；最后，采用显式有限元分析法执行详细仿真。计算时间因部件和设置而异。

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第六步：详细仿真：仿真评估

在计算过程中，可实时监控计算进度。利用有限元分析的详细仿真变形，更接近于真实成型变形。执行完成后，可通过即时重播仿真来浏览整体过程，也可重播仿真动画，高亮显示成型过程中发生的褶皱问题。

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图8：复合材料成型详细仿真结果评估

我们也可以将快速仿真与详细仿真的结果叠加作比较，查看可制造性分析云图，并获得成型结果表进行详细分析。

[img=661,385][/img]图9：复合材料成型快速仿真叠加详细仿真

可以看到，复合材料层压成型的轻量化结构，具有非常强的工艺性；有针对性地进行复合材料结构设计，对于提高结构内在质量性能具有极其重要的意义。其中，如果设计员在设计早期就能够根据需要，灵活运用基于几何变形新算法的快速仿真和基于显式有限元分析的详细精确仿真，提高结构的功能性能和可制造性能，那么在后继的高级力学仿真校核、工艺制造过程中，将获得更逼真的设计输入，能够帮助快速收敛获得最佳轻量化结构产品。这样整个研制过程周期更短，物理样机更少，也能够大量减少返工修改。

类似CATIA复材层压成型设计与仿真这样，集设计、仿真、工艺于一体的轻量化结构设计应用在统一的达索系统平台上还有很多。例如复合材料手工铺放设计与仿真、三维编织设计与仿真、激光投影设计与仿真、自动铺带设计与仿真、自动铺丝设计与仿真等等；当然还少不了金属结构认知增强设计/创成式设计，由优化和仿真驱动并面向各种制造工艺，在前几期已经介绍。各行业从事产品轻量化结构开发的朋友和同学可不要错过！