復(fù)合材料零部件研制具有工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、研制周期長、制造成本高的特點(diǎn)，數(shù)值模擬仿真技術(shù)是解決這些問題的有效手段之一。當(dāng)前，先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制件成型工藝主要包括 RTM（Resin Transfer Molding）成型工藝、熱壓罐成型工藝、模壓成型工藝、纏繞成型工藝、鋪放成型工藝等。這些工藝仿真軟件的研發(fā)將有效促進(jìn)數(shù)字化復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造體系的不斷完善。

1 軟件概述

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件主要指圍繞如何提高先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制件質(zhì)量和優(yōu)化成型工藝而研發(fā)的成型工藝仿真軟件，該系列軟件隨著先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝及模擬仿真技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。全球市場(chǎng)上主流的樹脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件通常按照工藝類型劃分，包括 RTM 成型工藝仿真軟件、熱壓罐成型工藝仿真軟件、模壓成型工藝仿真軟件、纏繞成型工藝仿真軟件等。從核心的求解器部分來看，軟件主要功能可分為流場(chǎng)溫度場(chǎng)及固化變形兩大部分。其中在流場(chǎng)計(jì)算方面，RTM 成型工藝仿真軟件的流場(chǎng)計(jì)算主要涉及液態(tài)和半固態(tài)，以有限體積和有限元方法為主，而熱壓罐成型工藝的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)計(jì)算主要以氣態(tài)為主，因此有限體積方法在這一工藝中更為主流。固態(tài)應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算的求解器目前均是基于有限元方法。

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件研發(fā)前期大多以高校為主，主要進(jìn)行基礎(chǔ)理論及算法研究，后續(xù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，以軟件公司的形式進(jìn)行，并最終被更大的公司收購以便維護(hù)和推廣應(yīng)用。

樹脂基復(fù)合材料成型工藝的基礎(chǔ)理論、模型與算法是開發(fā)仿真軟件的核心。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提升與算法研究的逐漸深入，眾多科研機(jī)構(gòu)逐漸將計(jì)算機(jī)模擬仿 真 技 術(shù) 應(yīng) 用于先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝仿真 。RTM工藝和熱壓罐工藝是國內(nèi)航空航天等行業(yè)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型的主流工藝，因此重點(diǎn)對(duì)這兩種工藝的仿真技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。從基礎(chǔ)模型看，這兩種工藝的仿真技術(shù)均可分為溫度場(chǎng)流場(chǎng)計(jì)算和固化變形計(jì)算兩個(gè)部分，由于固化變形仿真這兩種工藝的原理差異不大，因此先對(duì)差異較大的溫度場(chǎng)流場(chǎng)計(jì)算部分進(jìn)行論述，再對(duì)固化變形仿真進(jìn)行論述。

RTM 成型工藝是目前備受關(guān)注的復(fù)合材料制造技術(shù)之一，也是最為成熟的工藝方法之一。RTM 的基本原理是在一定的溫度和壓力下，利用注射設(shè)備將符合特定要求的專用低粘度樹脂注入預(yù)先鋪放好纖維增強(qiáng)材料的閉模型腔中，樹脂體系在模具中流動(dòng)并且逐漸浸潤纖維增強(qiáng)材料，然后在一定時(shí)間內(nèi)固化成型，制成具有一定性能和結(jié)構(gòu)要求的復(fù)合材料。RTM 工藝主要包括以下幾個(gè)階段：纖維增強(qiáng)材料（纖維預(yù)制體）設(shè)計(jì)和制備、纖維預(yù)制體鋪放、合模、樹脂注入和固化、脫模以及后處理等。RTM 成型具體工藝過程如圖 2 所示。其中，樹脂的注入（充填）和固化是最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，RTM 整個(gè)工藝過程中的主要物理和化學(xué)過程基本都發(fā)生在這兩個(gè)階段。充填和固化不僅對(duì)復(fù)合材料制品的質(zhì)量和性能產(chǎn)生重要影響，還很大程度地決定了復(fù)合材料制品的成型周期和生產(chǎn)成本。就仿真而言，上過程可分為以流場(chǎng)和溫度場(chǎng)為主的充填過程和以固化變形為主的固化脫模過程。

熱壓罐成型工藝是指將單層預(yù)浸料按預(yù)定方向鋪疊成復(fù)合材料坯料，放在熱壓罐內(nèi)，在給定溫度和壓力下完成固化過程的工藝方法。熱壓罐工藝是另外一種被廣泛使用的復(fù)合材料制備工藝，特別是生產(chǎn)蒙皮類零件這類薄壁件時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。到目前為止，由熱壓罐生產(chǎn)的復(fù)合材料占整個(gè)復(fù)合材料產(chǎn)量的 50% 以上，在航空航天領(lǐng)域，更是高達(dá) 80% 以上。就仿真而言，熱壓罐工藝仿真主要包含罐內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真、復(fù)合材料制件的固化變形仿真兩個(gè)部分。針對(duì)熱壓罐溫度場(chǎng)及流場(chǎng)計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，從一維到三維，尤其是隨著商業(yè) CFD 軟件的發(fā)展，極大推進(jìn)了熱壓罐復(fù)合材料制件溫度場(chǎng)的計(jì)算。

國內(nèi)對(duì)于復(fù)合材料模壓成型工藝和纏繞成型工藝也展開了相關(guān)研究。王貴彬等針對(duì)碳纖維復(fù)合材料加固件，在商業(yè)化軟件 ANSYS 的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了模壓成型有限元分析；楊金利等開發(fā)了基于 Open GL 的纏繞成型仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維動(dòng)態(tài)加工的模擬仿真。3 軟件發(fā)展現(xiàn)狀樹脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件發(fā)展歷史較長，從20 世紀(jì) 80 年代開始，ES 法國 ESI公司就開始吸收高校和研究機(jī)構(gòu)在基礎(chǔ)理論研究方面的先進(jìn)成果，以 RTM 工藝為目標(biāo)，開始進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。隨著算法和計(jì)算能力的不斷提升，同時(shí)也隨著制造工藝的不斷發(fā)展，許多新的工藝類型軟件都得到了快速發(fā)展。針對(duì)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件而言，目前主流的 RTM 成型工藝商用軟件包括法國 ESI 集團(tuán)開發(fā)的 PAM-RTM、荷蘭 Polyworx 公司開發(fā)的 RTM-Worx 等；針對(duì)熱壓罐溫度場(chǎng)及流場(chǎng)，國內(nèi)外主要采用商業(yè) CFD 軟件進(jìn)行模擬，例如 FLUENT、CFX、STAR-CD 等。法國 ESI 集團(tuán)耦合 FEM 和 CFD 技術(shù)，開發(fā)了專門的熱壓罐工藝仿真軟件 PAM-AUTOCLAVE，西門子基于Simcenter 3D 推出了熱壓罐成型工藝仿真方案；模壓成型工藝商用軟件主流的有法國 ESI 集團(tuán)的 PAM-FORM 等、纏繞成型工藝商用軟件有比利時(shí)材料工程有限公司（MA-TERIAL）的 CADWIND 等 。對(duì)上述軟件進(jìn)行 詳細(xì)描述如表1 所示。

它是一種用于檢查流動(dòng)可能性、檢查最佳澆口位置、預(yù)測(cè)翹曲、成型周期預(yù)測(cè)、合模力預(yù)測(cè)以及設(shè)計(jì)冷卻效率良好的冷卻管的模擬，又稱樹脂注射成型模擬，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具規(guī)格設(shè)計(jì)中塑料制品分析中的一種綜合分析。翹曲變形是嚴(yán)重的成型缺陷之一。翹曲是由型腔內(nèi)不均勻的樹脂收縮引起的。換句話說，成型品的形狀和澆口位置的設(shè)計(jì)必須使模腔內(nèi)的溫度和壓力均勻，模具冷卻管的布置必須使模具內(nèi)沒有溫差。

典型的軟件有Autodesk的“Moldflow”、CoreTech System的“Moldex3D”和Toray的“3D TIMON”。

它用于預(yù)測(cè)變形量、應(yīng)力、應(yīng)變、是否存在失效以及施加載荷時(shí)的失效載荷。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要知道產(chǎn)品的強(qiáng)度，這是一個(gè)非常重要的分析。由于可以在實(shí)際制作樣品和進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試之前進(jìn)行模擬，因此可以縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

典型的軟件包括 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”、Ansys 的“ANSYS”和 Altair 的“OptiStruct”，但軟件種類繁多。

分析熱量如何在固體內(nèi)部傳遞并模擬溫度分布。分析受熱部位和與發(fā)熱部位接觸的部位的熱傳遞情況，可以評(píng)估材料的隔熱性和保溫性。

預(yù)測(cè)由溫度變化引起的應(yīng)力。塑料的線性膨脹系數(shù)比金屬高，更容易受到熱應(yīng)力的影響。組合具有不同線性膨脹系數(shù)的材料時(shí)必須特別小心。也可以執(zhí)行耦合分析，其中溫度分布在傳熱分析中獲得，并用作應(yīng)力分析中的邊界條件。熱傳導(dǎo)分析和熱應(yīng)力分析可以用上面提到的大多數(shù)應(yīng)力分析軟件進(jìn)行計(jì)算。

熱流體分析/計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)

預(yù)測(cè)流體（例如液體和氣體）如何流入和流出物體。對(duì)于實(shí)際產(chǎn)生熱量的產(chǎn)品，熱量不僅在固體內(nèi)部傳遞，還會(huì)通過載熱流體（空氣、油等）傳遞到其他部分。這種現(xiàn)象無法通過熱傳導(dǎo)分析來分析，因此使用了熱流體分析/計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）。此外，即使零件具有復(fù)雜的形狀，熱流體分析/計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）也是有效的，因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)和溫度分布會(huì)因周圍空氣的對(duì)流而發(fā)生變化。

代表性軟件包括 Altair 的“AcuSolve”、Ansys 的“ANSYS Fluent”、西門子軟件的“STAR-CCM+”和 Convergent Science 的“Converge”。

計(jì)算物體的本征頻率和本征模態(tài)形狀。固有頻率是物體（振動(dòng)系統(tǒng)）自由振動(dòng)時(shí)每秒振動(dòng)的次數(shù)。本征模態(tài)形狀是以本征頻率振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)形狀（變形）。如果物體產(chǎn)生共振，可能會(huì)發(fā)生損壞或噪音。共振是一種現(xiàn)象，其中通過接收與物體的固有頻率相同的外部振動(dòng)來大大放大振動(dòng)?？梢酝ㄟ^固有頻率分析找到可能發(fā)生共振的頻率，并用于設(shè)計(jì)不會(huì)引起共振的結(jié)構(gòu)。

模擬物體受激時(shí)產(chǎn)生的位移和應(yīng)力。發(fā)生共振時(shí)，可以獲得產(chǎn)生的振幅和應(yīng)力的大小，可以確認(rèn)共振對(duì)策的效果。

特征值分析（特征頻率分析）和（頻率）響應(yīng)分析的典型軟件有Dassault Systèmes的“Abaqus”、Siemens Software的“NX Nastran”和Ansys的“LS-DYNA”。

預(yù)測(cè)重復(fù)加載時(shí)發(fā)生故障的次數(shù)。當(dāng)負(fù)載反復(fù)施加到物體上時(shí)，即使小于其靜態(tài)強(qiáng)度的應(yīng)力也可能導(dǎo)致其失效。這稱為疲勞失效，可以使用 SN 曲線進(jìn)行評(píng)估?？梢栽趧?chuàng)建實(shí)際樣本和執(zhí)行耐久性測(cè)試之前執(zhí)行模擬，從而縮短開發(fā)時(shí)間。

預(yù)測(cè)一定時(shí)間后的蠕變變形量。塑料由于其粘性特性而受到蠕變載荷的影響很大，因此采取了提前進(jìn)行模擬的對(duì)策。它還用于焊點(diǎn)的壽命預(yù)測(cè)。

預(yù)測(cè)一定時(shí)間后的應(yīng)力值，應(yīng)力松弛是由于塑料的粘彈性特性而發(fā)生的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)用螺釘或螺栓固定的零件，或使用故意變形產(chǎn)生的反作用力的產(chǎn)品（例如彈簧）時(shí)必須小心。與蠕變不同，從外部看不到變化，因此預(yù)先分析可以防止質(zhì)量問題。循環(huán)疲勞分析、蠕變分析和應(yīng)力松弛分析的典型軟件有 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”和 Ansys 的“LS-DYNA”。

它模擬物體碰撞或墜落時(shí)的時(shí)程應(yīng)力、應(yīng)變、位移、加速度等。當(dāng)物體受到?jīng)_擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比靜態(tài)應(yīng)力值大很多倍的應(yīng)力，從而導(dǎo)致?lián)p壞等問題。此外，還可以進(jìn)行考慮材料特有的動(dòng)態(tài)特性（應(yīng)變率依賴性、粘彈性效應(yīng)）的評(píng)估。應(yīng)變率依賴性是樹脂的一種特性，材料特性會(huì)根據(jù)變形率發(fā)生很大變化。還可用于假定汽車等的碰撞速度的試驗(yàn)。典型的軟件有Ansys的“LS-DYNA”、ESI的“PAM-CRASH”、Altair的“Radioss”。

Topology優(yōu)化分析是通過給出產(chǎn)品使用場(chǎng)景中假定的結(jié)構(gòu)約束、載荷和約束條件來計(jì)算最佳形狀的系統(tǒng)。

生成人類無法想象的高度新穎的形狀，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)不受現(xiàn)有形狀的限制?？梢哉f，隨著3D打印機(jī)等生產(chǎn)加工技術(shù)的進(jìn)步，它是未來會(huì)越來越受到關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)。

代表軟件有Altair的“OptiStruct”和Dassault Systèmes的“TOSCA”。

分析和可視化與聲音產(chǎn)生和傳播相關(guān)的各種聲學(xué)現(xiàn)象。除了提高揚(yáng)聲器等音頻設(shè)備的音質(zhì)外，還可以在設(shè)計(jì)中反映出針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇等工業(yè)產(chǎn)品發(fā)出的噪音等令人不快的聲音的措施。這種分析對(duì)于開發(fā)具有出色聲學(xué)特性的產(chǎn)品和要求安靜的產(chǎn)品是必不可少的。

代表軟件有Hexagon的“Actran”和Dassault Systèmes的“Abaqus”。

在使用有限元法的常規(guī)分析中，對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行評(píng)估。但是，對(duì)于由多個(gè)部件組合而成的產(chǎn)品，需要將部件作為一個(gè)集合進(jìn)行分析。在多體動(dòng)力學(xué)分析中，可以預(yù)測(cè)與其他部分的關(guān)節(jié)力和作用力的影響，并模擬進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)所作用的力。

它用于評(píng)估多個(gè)部件錯(cuò)綜復(fù)雜地連接在一起的機(jī)械系統(tǒng)，例如汽車和工業(yè)設(shè)備。典型的軟件是Dassault Systèmes的“Simpack”和Hexagon的“Adams”。

在設(shè)計(jì)玻璃纖維與樹脂混合的增強(qiáng)等級(jí)時(shí)，必須考慮纖維取向。這是因?yàn)槔w維的取向是沿著樹脂的流動(dòng)方向決定的，導(dǎo)致收縮不均勻和翹曲，以及強(qiáng)度和方向較弱的區(qū)域。通過映射注塑成型模擬結(jié)果中的纖維方向和取向信息并將其傳輸?shù)搅硪粋€(gè)分析軟件，可以提高應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。具有代表性的軟件是Hexagon 的“Digimat”。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。