仿真是通過模型來模擬現(xiàn)實系統(tǒng)中發(fā)生的過程，其本質(zhì)是將物理化學(xué)公式模型進行代碼化表示，并借助計算機實現(xiàn)計算求解。仿真在離散制造和流程制造業(yè)中廣泛使用，能夠幫助工程師加速產(chǎn)品研發(fā)和測試，提高正向研發(fā)效率。

復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、固化過程影響因素多，甚至存在某些結(jié)構(gòu)在工藝上難以實現(xiàn)的問題。傳統(tǒng)成型復(fù)合材料構(gòu)件方法為試錯法，即在工藝人員經(jīng)驗和工藝試驗的基礎(chǔ)上對構(gòu)件模具結(jié)構(gòu)、型面以及固化工藝規(guī)范進行反復(fù)調(diào)整或補償加工，從而滿足設(shè)計要求。這種方法耗時費力，對大型復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)難以適用。隨著計算機技術(shù)、有限元技術(shù)的發(fā)展，以及復(fù)合材料基礎(chǔ)理論體系的完善，虛擬仿真技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前，國內(nèi)外眾多企業(yè)和研究機構(gòu)針對復(fù)合材料構(gòu)件制造各個環(huán)節(jié)的理論問題進行研究，并試圖用各種物理模型和數(shù)學(xué)模型進行制造過程描述來實現(xiàn)設(shè)計制造一體化，從而完成對產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。近年來，多種復(fù)合材料設(shè)計、分析軟件被相繼開發(fā)并應(yīng)用到復(fù)合材料的設(shè)計、分析與制造過程，推動了復(fù)合材料在航空工業(yè)的發(fā)展。

常用復(fù)合材料仿真軟件 利用仿真技術(shù)，對復(fù)合材料構(gòu)件的制造過程進行數(shù)值模擬，可以分析模具與復(fù)合材料構(gòu)件受熱是否均勻、 基體樹脂是否固化完全、構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布以及脫模后回彈變形情 況，有助于工程師在設(shè)計之初就考慮到構(gòu)件在制造過程中可能遇到的問題，從而縮短研制周期、降低制造成本。

目前，國內(nèi)外常用的主流仿真軟件如圖 1 所示，下面將常用的幾種軟件進行介紹。

Laminate Tools 是英國 Anaglyph 公司旗下的一款集復(fù)合材料設(shè)計、分析和制造于一身的商業(yè)軟件。該軟件由顯示、設(shè)計、分析、檢查以及制造工藝 5 個基本模塊組成，尤其是其檢查模塊，可以快速便捷地讀取 ANSYS、Patran/Nastran、ABAQUS 等有限元軟件的結(jié)果文件，進而根據(jù)計算結(jié)果進行問題修改。該軟件可以實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件從鋪層設(shè)計到制造信息輸出的完整流程。目前 Laminate Tools 在國外復(fù)合材料產(chǎn)品 制造過程中已廣泛應(yīng)用，包括航空、 汽車、船舶以及風(fēng)能等領(lǐng)域。AW189 直升機復(fù)合材料進氣道的設(shè)計制造過程就是采用了該軟件，有效減少了二次裝配連接的費用，縮短了研制周期。

VISTAGY 公司開發(fā)了復(fù)合材料設(shè)計軟件 FiberSIM，該軟件支持復(fù)合材料零件從概念設(shè)計到制造的整個過程，允許設(shè)計人員同時在產(chǎn)品設(shè)計、材料、結(jié)構(gòu)以及工藝過程約束之間進行權(quán)衡分析，并且可以集成于 CATIA、Pro/E 和 UG 等三維造型軟件中。利用該軟件可以進行復(fù)合材 料構(gòu)件的工程設(shè)計、曲面展開、鋪層以及結(jié)構(gòu)工藝性分析等，并通過相應(yīng)的接口將這些信息傳遞給自動下料機、激光鋪層定位系統(tǒng)以及纖維鋪放設(shè)備等，基本可以覆蓋復(fù)合材料整個 工藝設(shè)計流程。FiberSIM 軟件將傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造過程中依賴模線-樣板的傳遞方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字量 為主導(dǎo)的傳遞方式，這也體現(xiàn)了并行工程的理念思想。目前該軟件在西飛、成飛、沈飛等幾大主機廠得到大量應(yīng)用，并取得了滿意的效果。

ESAComp 軟件由歐洲航天局資助，最初由芬蘭赫爾辛基大學(xué)于20世紀(jì) 90 年代開發(fā)，具有在初始設(shè)計 階段指導(dǎo)材料種類選擇、夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋪層方式設(shè)計的能力。該軟件具有強大的銜接功能，提供了同多種主流 CAE 軟件，如 ABAQUS、ANSYS、 MSC 以及 NASTRAN 等軟件的接口，方便地為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元分析提供準(zhǔn)備，并能對有限元計算結(jié)果進行詳細(xì)的后處理。其軟件材料庫中包含了上千種材料，不僅包含有航空航天材料，還包括許多其他工業(yè)級的常用材料。全球有超過 150 家公司和研究機構(gòu)在使用該軟件，包括空客、寶馬以及西門子等企業(yè)。

CATIA CPD 也是常用的復(fù)合材料設(shè)計軟件，該軟件為用戶提供了豐富的使用功能，包括鋪層生成、復(fù)合材料分析、工程制圖定義、制造模型定義、曲面轉(zhuǎn)化以及可制造性分析等。波音公司在國內(nèi)生產(chǎn)的波音 737、747、 787 系列飛機的翼身整流罩、內(nèi)襟翼以及空客 A380的機身段、尾翼段以及襟副翼的設(shè)計與制造均采用 CATIA CPD 模塊數(shù)字化設(shè)計制造完成。目前該軟件在國內(nèi)幾大主機廠得到了廣泛應(yīng)用。

ESI集團是世界上領(lǐng)先的數(shù)值仿真軟件供應(yīng)商，其產(chǎn)品主要應(yīng)用在產(chǎn)品的制造工藝仿真以及評價產(chǎn)品 在使用環(huán)境中的表現(xiàn)，通過不斷減少 試驗樣機的數(shù)量，從而降低生產(chǎn)成本、縮短研制周期。通過與眾多大學(xué)、 研究所及航空航天企業(yè)的合作，ESI公司開發(fā)了用于復(fù)合材料設(shè)計與制造工藝仿真的產(chǎn)品，包括 SYSPLY、 PAM-RTM、PAM-FORM、PAM[1]AUTOCLAVE、PAM-DISTORTION 等。

SYSPLY 是用于設(shè)計、分析和優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的專業(yè)軟件，可以幫助工程師加速設(shè)計和驗證復(fù)合材料構(gòu)件，并可實現(xiàn)大部分建模過程的 自動化，完成各種靜 / 動力學(xué)問題、 熱力學(xué)問題、屈曲分析以及大變形問題的分析。利用 SYSPLY，設(shè)計人員在零件制造之初就掌握復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)特性。

PAM-RTM 軟件可以針對樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）工藝的樹脂充模過程進行仿真，該軟件幾乎可以模擬所有的 RTM 工藝，并且操作簡單、計算迅速。

PAM-FORM 可以處理層合板成型、紡織纖維成型以及塑料片材成型等過程的仿真，適用于預(yù)浸料、紡織物、紡纖維等材料的熱成型、沖壓成型以及滾壓成型等。

PAM-AUTOCLAVE 軟件和 PAM[1]DISTORTION 軟件主要用于解決熱壓罐內(nèi)空氣流動、傳熱以及預(yù)浸料的固化、回彈等問題，利用該軟件可以優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)及固化工藝參數(shù)，有效降低產(chǎn)品試驗次數(shù)。

目前 ESI公司的復(fù)合材料軟件已在空客、波音、成飛等飛機制造廠商得到了廣泛應(yīng)用。CMT 公司的 COMPRO 軟件為用戶提供了使用“虛擬制造”方法來實現(xiàn)對復(fù)合材料構(gòu)件成型過程的仿真，可以實現(xiàn)熱化學(xué)-樹脂流動 -化應(yīng)力的綜合模擬，用以評估工藝參 數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。CMT 公司與波音公司進行了密切合 作，目前該軟件已成功應(yīng)用在波音 747、767 和 777 飛機的研制中。

RTM-Worx 仿真軟件是荷蘭 Polyworx 公司研發(fā)的用于模注工藝流動仿真軟件，該軟件經(jīng)過 20 年的 發(fā)展，其操作更為簡單、計算更為快捷、功能更為強大，為只具備 RTM 工 藝知識而未經(jīng)有限元方法專業(yè)培訓(xùn)的工程師提供了方便。與其他 RTM 軟件相比，該軟件可將一維線單元、 二維殼單元和三維四面體單元混合使用，且所需的網(wǎng)格數(shù)量更少，求解速度更快。目前，該軟件已在航空、軍工、建筑等行業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計制 造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如在 NH90 直升機起落架、飛機復(fù)合材料翼盒等 零件的制造中就使用了該軟件。

CADWIND 是由 MATERIAL 公司專門為復(fù)合材料纖維纏繞工藝所開發(fā)的仿真軟件。相比于其他纖維纏繞軟件，該軟件界面友好，完全圖形化，可實現(xiàn)纏繞線型生成和纖維纏繞過程的三維動態(tài)仿真，且具備2軸 至6軸纏繞機的纏繞仿真和加工程 序輸出。該軟件同樣具有與主流有 限元軟件相結(jié)合的接口，從而進行結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。將該軟件集成到復(fù) 合材料虛擬制造系統(tǒng)中，工程人員就可以在遠(yuǎn)離纏繞機的情況下完成對纏繞工藝參數(shù)的優(yōu)化。

隨著復(fù)合材料在各個領(lǐng)域應(yīng)用比重的增大以及設(shè)計制造一體化要求的提出，針對復(fù)合材料構(gòu)件制造過程中各種問題的研究已成為復(fù)合材料研究熱點之一。采用數(shù)值模擬的方法針對復(fù)合材料制造過程進行仿真分析是降低復(fù)合材料構(gòu)件制造成本、縮短研制周期的有效途徑。隨著國內(nèi)制造企業(yè)對于虛擬仿真技術(shù)的重視以及人才培養(yǎng)力度的加大，仿真技術(shù)今后必將在復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。目前 現(xiàn)有的復(fù)合材料仿真模型仍存在不足，如何完善仿真模型、提高模擬精度，使其能更加有效地應(yīng)用到復(fù)合材料構(gòu)件實際生產(chǎn)中是今后國內(nèi)外學(xué)者需要研究的重點問題。

參考資料

[1]元振毅,王永軍,蔡豫晉,等.復(fù)合材料制造過程仿真技術(shù)綜述[J].航空制造技術(shù),2017(04):47-53.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.04.047.