複合材料在前述行業的輕量化結構應用

2020年的前三分之一時間，我們在不斷見證歷史，科技戰、貿易戰、新冠疫情、負油價輪番上演，而由此也引發內外需不足、各行業競爭加劇、盈利疲弱。因此，幫助各行業（特別是航空航天供應商、交通運輸、工業裝置、風電、體育器材行業）的機械結構工程師，進行合理的結構輕量化設計並最佳化產品效能，對於加強產品競爭力、加快產品上市、降低整體成本至關重要。 眾所周知，在以往數十年複合材料在前述行業的輕量化結構應用越來越廣泛，並湧現大量的復材成型製造工藝，例如手工鋪放、纏繞、編織，自動鋪帶、自動鋪絲，各有優勢，但也各有遺憾，最重要一個門檻就是應用成本高、生產效率偏低。

今天我們探討面向複合材料層壓成型的設計在結構輕量化方面的最新進展，也一窺模擬對複合材料產品研製的巨大推動作用。 層壓成型是指將平面鋪疊強壓到模具面、並使鋪層從2D平面形狀變為3D形狀的工藝；一般有對模衝壓成型、夾持沖模成型、彈性隔膜成型等形式，工裝模具類似金屬成型，適用各種形狀的坯料， 因此能夠大量快速生產，並大大降低原始部件的重量和成本。

層壓制品強度和表面粗糙度較高，應用範圍較廣，例如汽車上應用於排擋座框，飛機上應用於替換大量的原金屬壓延件、引深件、梁型件、長桁和發動機艙前緣件，典型例如A400M機翼大梁。

圖2：層壓成型工藝的常見型別

當然，層壓成型工藝也有很多技術問題需要解決，最典型的就是製品的質量控制問題，例如鋪層發生變形、滑移、褶皺、質量不夠穩定。但採用傳統的實物試錯法摸索最佳實踐經驗，將耗費大量的成本、時間和精力。 因此層壓成型工藝流程也迫切需要改進最佳化，而引入模擬驅動的複合材料設計則很好地解決前述問題。我們可以透過靈活的快速模擬和詳細模擬手段提前預測成型工藝中可能發生的問題，並最佳化設計克服之。總的流程如下圖所示：

圖3：複合材料成型設計流程概覽

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第一步： 複合材料鋪層設計

在CATIA復材成型設計環境中，使用復材設計技術直接建立或操作鋪層。如需更多的高階復材設計方法，例如結構網格法、實體切片法、傳統區域法、Excel匯入法，可切換到 其他復材設計模組去使用。

圖4：眾多複合材料鋪層設計法

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第二步：快速模擬：設定及執行

對鋪層進行成型工藝可製造性分析之快速模擬。經過簡單設定，即可執行快速成型模擬以識別無法成型的幾何。值得一提的是，此處使用CFM(即源於所收購Simulayt先進技術的CATIA纖維建模器) 新的“無摩擦”演算法，進行幾何層面的變形模擬。該演算法是針對成型與傳統手工鋪放的區別而開發：手工鋪放模擬的是，鋪層從初始種子點開始逐漸鋪放；成型模擬的是，整個復材單層板在成型過程中同時鋪放。

圖5：複合材料手工鋪放與層壓成型的區別

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第三步：快速模擬：模擬評估

由於快速模擬不使用有限元分析，所以能夠很快得到模擬結果，我們可以預測鋪層大概的幾何變形。首先透過表格摘要整體評估最大偏差、最大剪下變形；然後透過3D雲圖顯示剪下變形、偏差、滑移等工藝缺陷；最後獲得詳細的可製造性分析報告，內容包括所預測的實際成型結果以及增量結果，報告可匯出xls、xlsx、txt等供後續使用。

圖6：複合材料成型快速模擬結果評估

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第四步： 詳細模擬：設定

如果想得到更精確的模擬預測結果，需要進行基於有限元分析的詳細模擬。首先需要設定模擬的載荷工況。坯料形狀可用快速模擬得到的坯料自動填充。設計員自行調整網格大小。可以分析、比較多個成型場景，例如不考慮、或擴充套件考慮工裝載荷選項，這樣得到的模擬結果更精確逼真。

圖7：複合材料成型快速模擬輸出坯料形狀用於詳細模擬

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第五步：詳細模擬：校核及執行

預覽層壓成型詳細模擬的設定，隨時校核場景設定、利用使用者定義的解析度即時劃分網格；預覽載荷，主要是預覽校核使用者所定義的運動（工步）是否符合預期；最後，採用顯式有限元分析法執行詳細模擬。計算時間因部件和設定而異。

 

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第六步：詳細模擬：模擬評估

在計算過程中，可實時監控計算進度。利用有限元分析的詳細模擬變形，更接近於真實成型變形。執行完成後，可透過即時重播模擬來瀏覽整體過程，也可重播模擬動畫，高亮顯示成型過程中發生的褶皺問題。

圖8：複合材料成型詳細模擬結果評估

 

我們也可以將快速模擬與詳細模擬的結果疊加作比較，檢視可製造性分析雲圖，並獲得成型結果表進行詳細分析。

圖9：複合材料成型快速模擬疊加詳細模擬

可以看到，複合材料層壓成型的輕量化結構，具有非常強的工藝性；有針對性地進行復合材料結構設計，對於提高結構內在質量效能具有極其重要的意義。其中，如果設計員在設計早期就能夠根據需要， 靈活運用基於幾何變形新演算法的快速模擬和基於顯式有限元分析的詳細精確模擬，提高結構的功能效能和可製造效能，那麼在後繼的高階力學模擬校核、工藝製造過程中，將獲得更逼真的設計輸入，能夠幫助快速收斂獲得最佳輕量化結構產品。這樣整個研製過程週期更短，物理樣機更少，也能夠大量減少返工修改。

類似CATIA復材層壓成型設計與模擬這樣，集設計、模擬、工藝於一體的輕量化結構設計應用在統一的達索系統 平臺上還有很多。 例如複合材料手工鋪放設計與模擬、三維編織設計與模擬、鐳射投影設計與模擬、自動鋪帶設計與模擬、自動鋪絲設計與模擬等等；當然還少不了金屬結構認知增強設計/創成式設計，由最佳化和模擬驅動並面向各種製造工藝，在前幾期已經介紹。各行業從事產品輕量化結構開發的朋友和同學可不要錯過！