English
簡(jiǎn)體中文
FORMAX 先采購(gòu)光纖，再對(duì)其進(jìn)行加工處理，然后將其作為結(jié)構(gòu)光纖出售，以用在復(fù)合材料中。在某些情況下，一些大客戶會(huì)與大型光纖制造商簽訂合同，并聘請(qǐng)我們加盟，合作生產(chǎn)具有特定結(jié)構(gòu)的光纖。
然而，對(duì)于其他客戶，我們的角色逐漸擴(kuò)大，包括提供咨詢服務(wù)，這意味著我們需要充分利用我們的纖維加工知識(shí)、對(duì)纖維性能的了解以及20多年定做特定結(jié)構(gòu)纖 維的經(jīng)驗(yàn)來幫助客戶們針對(duì)需要制造合適的復(fù)合材料。我們已經(jīng)加工過了60多種不同類型的碳纖維、30種E-glass（無堿玻璃）纖維、6種芳族聚酰胺， 以及S-glass（高強(qiáng)度）纖維，超高分子量聚乙烯（Dyneema）和越來越多的自然纖維。近年來，由于汽車領(lǐng)域客戶需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段對(duì)產(chǎn)品 的加工過程和性能進(jìn)行模擬測(cè)試，客戶對(duì)我們額外服務(wù)的需求——模擬支持需求逐漸增加。
再加上模擬復(fù)合材料加工過程的需求不斷增加，F(xiàn)ORMAX 和英國(guó)諾丁漢大學(xué)于2012 年達(dá)成了知識(shí)轉(zhuǎn)移合作伙伴關(guān)系（KTP），旨在提高全公司的理解水平，使其更加了解復(fù)合材料加工及性能的特征以及測(cè)試、模擬過程。學(xué)術(shù)理論上，KTP 由Andy Long 教授和Andreas Endruweit 博士負(fù)責(zé)，公司運(yùn)作方面由畢業(yè)于愛爾蘭國(guó)立利莫瑞克大學(xué)的Liam O Sullivan 負(fù)責(zé)。
復(fù)合材料工程——預(yù)測(cè)材料的形變，斷裂及制造過程
在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，通過人工計(jì)算，迭代分析和數(shù)值法可以預(yù)測(cè)材料的受力和受力時(shí)發(fā)生的形變。工程師使用的方法是大家通用的，依靠有關(guān)材料性能的知識(shí)來進(jìn)行 決策，以確保材料的正確選用與使用。整個(gè)設(shè)計(jì)過程，從概念到生產(chǎn)制作，加上偶爾使用不同種類的纖維，纖維結(jié)構(gòu)和聚合物，決策過程不斷重復(fù)并得以優(yōu)化。這些 方法使得組件的設(shè)計(jì)中可以包含故障保留因素和允許大形變。使用這些方法有多大的信心和把握取決于問題的復(fù)雜性，工程師的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)所用結(jié)構(gòu)材料的了解。 此外，通過模擬不同材料和其幾何形狀的結(jié)構(gòu)性能，這些預(yù)測(cè)方法可以在實(shí)際生產(chǎn)之前優(yōu)化設(shè)計(jì)。
結(jié)構(gòu)工程師有責(zé)任注意并預(yù)測(cè)給定部件的制造過程，先用適當(dāng)?shù)姆椒z查生產(chǎn)的可能性，隨后與壓膜或過程優(yōu)化工程師一起尋找制造過程中可以優(yōu)化的地方。
對(duì)于由預(yù)制材料（如木材、金屬）制造的結(jié)構(gòu)組件來說，對(duì)制造過程進(jìn)行預(yù)測(cè)僅僅意味著評(píng)估加工或裝配所需的空間并分析沖壓和連接的影響，過程相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，對(duì)于由模壓復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)件來說，對(duì)該過程的預(yù)測(cè)往往更加復(fù)雜，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)材料和組件需要同時(shí)制造。
對(duì)加工過程及組件性能預(yù)測(cè)投入多少時(shí)間和資源取決于項(xiàng)目的價(jià)值、項(xiàng)目成功所需要達(dá)到的優(yōu)化水平、相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)以及失敗的后果。任何一種情況下，都需要設(shè)計(jì)過程中材料具有特定的性能，還需要一定的方法，從這些性能中計(jì)算出對(duì)設(shè)計(jì)有用的信息。
復(fù)合材料的性能是誰給予的？
對(duì)于特定的設(shè)計(jì)任務(wù)來講，結(jié)構(gòu)工程師們需要將所用材料的相關(guān)性能納入到考慮范圍之內(nèi)。對(duì)于工程師來說，如果他們能對(duì)一系列的復(fù)合材料有所了解，那再好不過 了。了解的內(nèi)容包括復(fù)合物的各部分材料和程序。如果花銷在預(yù)算范圍之內(nèi)，那么公司內(nèi)部制造的商品以及對(duì)一系列材料、操作步驟的測(cè)試將能使工程師更好、更直 觀的控制測(cè)試程序，并且避免有些想要賣自己材料的人對(duì)于自己產(chǎn)品的自夸自擂。然而，在早期的設(shè)計(jì)流程中，項(xiàng)目準(zhǔn)備材料的清單并不是由商業(yè)和技術(shù)發(fā)展來決定 的，因此可能無法使用這兩者的組合。在這樣的情況下，對(duì)于預(yù)算少或時(shí)間短的較小的項(xiàng)目中的預(yù)選實(shí)驗(yàn)來說，內(nèi)部測(cè)試或許是不可行的。在這種情況下，工程師會(huì) 向復(fù)合供應(yīng)鏈尋求幫助。
由于這些材料的復(fù)合特性，訪問這些性能并不總是簡(jiǎn)單直接的。至于與加工有關(guān)的特性，提供相關(guān)數(shù)據(jù)的責(zé)任通常落在各個(gè)材料生產(chǎn)商的身上。聚合物生產(chǎn)商提供混 合與固化所需的數(shù)據(jù)。纖維生產(chǎn)商能夠協(xié)助提供一些織物生產(chǎn)以及后續(xù)成形的摩擦系數(shù)的上漿信息。鑄工需要了解結(jié)構(gòu)織物在切割、預(yù)成型、注射以及其他程序中是 如何表現(xiàn)的，并且明確的了解織物是如何體現(xiàn)出這些特性的。
有關(guān)復(fù)合材料終性能的相關(guān)特性的情況還不是很清楚。復(fù)合材料的性能源自于其組成部分并受施工過程影響。包括，纖維、漿料、聚合物、用于自動(dòng)纖維鋪放 (AFP) 或自動(dòng)帶狀鋪疊(ATL)的預(yù)浸漬、織物生產(chǎn)、織物的二次加工以及終模塑。參與這些過程的獨(dú)立公司的數(shù)量以及潛在的信息來源取決于供應(yīng)鏈內(nèi)縱向整合的程 度。理論上來講，一體化程度較高的供應(yīng)鏈的直接過程對(duì)工程師來說更加簡(jiǎn)單明了。而一體化程度較低的且直接程度較低的過程對(duì)工程師來說會(huì)有難度。若許多供應(yīng) 商參與其中，那么獲取終復(fù)合材料的性能會(huì)更加困難。
FORMAX 是如何定義物質(zhì)屬性、創(chuàng)立物質(zhì)屬性的數(shù)據(jù)庫(kù)的
在供應(yīng)鏈的全過程中需要了解復(fù)合材料的特性。除了復(fù)合材料工程師的需要，纖維制造業(yè)也需要了解膠料在紡織過程中的作用，還有接下來的一種高分子聚合物的復(fù) 合材料。為了改善新產(chǎn)品合成的性能，主要是與其他供應(yīng)商的纖維合成，聚合物藥劑師想出了新的辦法。鑄工想知道紡織物在新的纖維中懸垂性如何。以供應(yīng)鏈中單 個(gè)機(jī)構(gòu)看來，外部需要的數(shù)據(jù)有三個(gè)目的：一、通過發(fā)展源于供應(yīng)鏈的新產(chǎn)品，創(chuàng)造更多的商業(yè)機(jī)會(huì)。二、從整體上改善供應(yīng)鏈（與其他非復(fù)合材料相比）。后， 對(duì)于自己材料的特性深入了解。
在FORMAX 創(chuàng)意部門，物質(zhì)檢測(cè)的具體目標(biāo)是簡(jiǎn)單的：從外部看，就是要處理好客戶和供應(yīng)商的問詢；從內(nèi)部看，就是要通過對(duì)自己現(xiàn)存商品的數(shù)據(jù)庫(kù)的全面了解促進(jìn)產(chǎn)品的發(fā)展。聽起來簡(jiǎn)單直接，但是提供這些信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)比預(yù)想的更具有挑戰(zhàn)性。
當(dāng)考慮到物質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善時(shí)，先要考慮的是，在預(yù)算范圍內(nèi)，哪些特性是相關(guān)的且可實(shí)現(xiàn)的，哪些特性是需要直接忽略的。然后在處理與客戶和供應(yīng) 商的關(guān)系時(shí)，現(xiàn)存數(shù)據(jù)的可用性主要取決于選用的紡織材料、聚合物，還有用于生產(chǎn)的物質(zhì)的檢測(cè)板。此外，除了內(nèi)部的檢測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)庫(kù)也可從客戶那里獲得具體 的信息，不過在對(duì)外發(fā)布時(shí)需謹(jǐn)慎。
起先，F(xiàn)ORMAX 物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)包含基本的復(fù)合材料屬性，主要是在內(nèi)部生產(chǎn)、我們自己紡織材料和生成聚合物基體檢測(cè)中形成的，它的呈現(xiàn)形式也使顧客能夠在工程設(shè)計(jì)輪就用 到它。之后設(shè)計(jì)的重申使我們需要把同樣的結(jié)構(gòu)纖維在客戶挑選的樹脂系統(tǒng)里進(jìn)行檢測(cè)，用客戶挑選的程序和人力去生產(chǎn)。這一輪檢測(cè)后的纖維可能直接進(jìn)入有限元 分析編碼，從而能夠預(yù)測(cè)其壓力承受度和變形度。自2012 年，數(shù)據(jù)庫(kù)得以發(fā)展，現(xiàn)如今已經(jīng)包括纖維加工性能數(shù)據(jù)，還有作為整理復(fù)合織物的性能。織物的加工性能數(shù)據(jù)包括懸掛性、穩(wěn)定性還有滲透性。
為了進(jìn)一步討論纖維結(jié)構(gòu)（與纖維和聚合物分開來看）的復(fù)合材料性能，通過常規(guī)化檢測(cè)結(jié)果算出纖維的使用因素，纖維的使用量和纖維的特點(diǎn)。
為了進(jìn)一步討論關(guān)于客戶具體信息的數(shù)據(jù)，僅可以從“大值- 平均值- 小值”的表格去看數(shù)據(jù)庫(kù)。于是拿到纖維結(jié)構(gòu)，不看其他單項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果、纖維或者聚合物，都可以預(yù)測(cè)出纖維可能的功用和加工性能。
模擬法及其在復(fù)合材料加工中應(yīng)用的復(fù)雜性
結(jié)構(gòu)工程師們對(duì)提升確定性的需求帶來了物理試驗(yàn)和模擬技術(shù)之間恰到好處的混合，物理實(shí)驗(yàn)可以應(yīng)用于原料、組件和裝配三個(gè)層次，而其價(jià)格也逐級(jí)提升。本文中 所提的模擬是指一種計(jì)算力學(xué)的形式，其目的在于通過揭示材料應(yīng)有的變化和反應(yīng)，不依賴于昂貴的物理實(shí)驗(yàn)，在增加結(jié)果的確定性的同時(shí)降低所需的費(fèi)用。模擬法 所表現(xiàn)出的這種既能夠增加結(jié)果確定性又能夠降低開支的潛力，為更先進(jìn)的預(yù)測(cè)手段和用于分析材料的處理和性能的更復(fù)雜的模擬工具的發(fā)展提供了商業(yè)方面的案 例。
力學(xué)是研究材料在受到負(fù)荷或位移時(shí)的性狀的一門科學(xué)。計(jì)算力學(xué)應(yīng)用的范圍包括用于小尺度下模擬原子和分子，以及可見尺度下應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和分別用于建立固體、液體和它們相互作用模型的多物理場(chǎng)。
結(jié)構(gòu)工程師們使用結(jié)構(gòu)力學(xué)，具體來說是有限元法將結(jié)構(gòu)分解成可控的小碎塊，用以建立模型模擬負(fù)載的轉(zhuǎn)移和變形的整個(gè)過程。
FE（有限元）分析法對(duì)復(fù)合材料的分析可以通過以下的途徑實(shí)現(xiàn)，將復(fù)合材料視作由一些不同的層面單元分別獨(dú)立標(biāo)示并“粘合”在一起形成的層合結(jié)構(gòu)。該方法 將各層面單元視為正交的材料，并且在X、Y、Z 三個(gè)方向上都可以被定義，并且通過基于經(jīng)典層合理論（CLT）的方法預(yù)測(cè)整體層合結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，這種數(shù)學(xué)方法對(duì)于使用者是清晰易懂的。然而該方法中有許多假 設(shè)且對(duì)于無經(jīng)驗(yàn)的使用者來說有很多陷阱。相比較于應(yīng)用在多軸織物中，這個(gè)計(jì)算方法更適合于應(yīng)用在模擬由單向?qū)用鎲卧铣傻膶雍辖Y(jié)構(gòu)中。
在工程設(shè)計(jì)的觀念中，UD（單向?qū)用鎲卧┓椒ㄔ诶w維取向上更具有靈活性，對(duì)于那些運(yùn)氣好的工程師來說，這一點(diǎn)在排名他們終成品的性能（和創(chuàng)新度）上比 生產(chǎn)效率更令他們感興趣。工程師們考慮后者時(shí)，往往是在雙軸、三軸和四軸織物的應(yīng)用上，它能夠讓工程師們表示出（復(fù)雜）多軸組織結(jié)構(gòu)，這是（相對(duì)來說徑直 的）單向?qū)用鎲卧║D）不能勝任的。單胞法（通過如Texgen 或Wisetex 建模的單個(gè)的、重復(fù)的組織架構(gòu)模塊）在建立相關(guān)構(gòu)建組織架構(gòu)方法的同時(shí)，推動(dòng)了這一方面趕上對(duì)縫紉架構(gòu)應(yīng)用的腳步。
為避免這樣一個(gè)多少有點(diǎn)耗費(fèi)勞動(dòng)力的單胞法，有限單元法在分析多軸層合結(jié)構(gòu)時(shí)經(jīng)常基于單向?qū)用鎲卧軜?gòu)的結(jié)構(gòu)之上，同時(shí)在掛片試驗(yàn)階段，任何模型和實(shí)際情 況的不同點(diǎn)都要注意到并且作為校準(zhǔn)步驟反饋到設(shè)計(jì)中。在一個(gè)極其簡(jiǎn)化的例子中，如果基于UD的FE 模型預(yù)測(cè)一個(gè)層合結(jié)構(gòu)的模量為10，而多軸層合結(jié)構(gòu)在掛片試驗(yàn)中的結(jié)果是9，工程師應(yīng)該依據(jù)實(shí)際情況減去各個(gè)獨(dú)立的層面板，低例如10%，并以此再進(jìn)行 一個(gè)掛片實(shí)驗(yàn)分析，不斷重復(fù)直到模型符合實(shí)際。這種“掛片校準(zhǔn)”材料的模型與更復(fù)雜的針對(duì)后部分的幾何學(xué)分析相比較誰更勝一籌還有待再接下來設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中 的舞臺(tái)上考量。還有一種方法，前期也許工作比較多但后期更安穩(wěn)，即通過實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)多軸織物的力學(xué)性能，將其作為單一的層面單元帶入FE 模型中。
對(duì)成型中的結(jié)構(gòu)織物采用FE 分析也是可能的，但是問題會(huì)變得更復(fù)雜。在結(jié)構(gòu)力學(xué)之中，問題被分為線性的和非線性的。例如，力和位移的線性關(guān)系就如同將質(zhì)點(diǎn)放在彈簧上，彈簧的長(zhǎng)度隨質(zhì) 點(diǎn)施力有比例的變化。非線性關(guān)系就如同它聽起來的樣子：原因和影響之間的關(guān)系路徑是彎曲的而非直線。非線性特征可以存在于材料（如可塑性或蠕變）、幾何學(xué) （張力很大或屈曲的位置）以及邊界條件中（如材料并未被牢固支撐，而僅僅是與平面勉強(qiáng)接觸或擠壓）。由預(yù)先設(shè)定好的工具構(gòu)建的結(jié)構(gòu)織物包括了這三種非線性 特征：織物的性能表現(xiàn)，包括縫紉結(jié)構(gòu)與纖維之間相互作用造成的復(fù)雜變化；預(yù)制操作造成的巨大的張力；而織物與工具的邊界是附帶著摩擦力的一種接觸。解決非 線性問題的這三個(gè)方面的任何一個(gè)都需要一種迭代的方法，將整個(gè)問題分解成步驟，每個(gè)步驟按順序解決。
這帶來的影響是計(jì)算時(shí)間增加，有時(shí)候更需要與用戶確認(rèn)解決方法的有效性。顯而易見的是，解決非線性問題的全部三個(gè)方面（因?yàn)檎霞庸ば枰?huì)更加吃力。甚 至有的代碼是被專門設(shè)計(jì)用于模擬成型過程的，包括ESI 做的PAM-FORM，ESI 是諾丁漢大學(xué)在KTP上的伙伴。其他的是經(jīng)過改造的（通過調(diào)用用戶生成的實(shí)質(zhì)性的子程序），包括Dassault Systems 做的Abaqus。
用EF 模擬的松脂流動(dòng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)基礎(chǔ)且相關(guān)的目標(biāo)：是估算注滿給定區(qū)域所需的時(shí)間，第二是優(yōu)化松脂注入?yún)^(qū)域和出口以減少注入時(shí)間，避免干斑出現(xiàn)。由于 注入過程中加壓的變化（因?yàn)檎婵展嘧⒒蜉p型樹脂傳遞模塑），使得聚合物反應(yīng)和纖維中會(huì)出現(xiàn)非線性特征。像ESI 做的PAM-RTM 以及Polyworx 這一類代碼已經(jīng)成為現(xiàn)成的產(chǎn)品。但是再一次，所需測(cè)試織物相關(guān)數(shù)據(jù)的有效性（這個(gè)例子中主方向上單位片段范圍中的滲透性），以及結(jié)果的準(zhǔn)確性，極大的影響 了在工業(yè)中對(duì)其的采用程度。
如之前所提，一般來說，有許多因素會(huì)影響對(duì)復(fù)合材料的模擬策略，包括項(xiàng)目?jī)r(jià)值，所需求的優(yōu)化水平，失敗的風(fēng)險(xiǎn)與后果。現(xiàn)在明確的是，對(duì)于現(xiàn)在能用的模擬工 具，我們需要在其成本和能力方面投入更多。至于復(fù)合材料性能的分析，其現(xiàn)狀是相對(duì)成熟并且精良的：50多年來，該領(lǐng)域產(chǎn)出了大量的有效的軟件包，并且在不 斷改進(jìn)，圖形用戶界面也更加合理。低價(jià)產(chǎn)品井噴式的出現(xiàn)，對(duì)于有頭腦有遠(yuǎn)見的用戶還有開源代碼可用，就像一艘定制的、高性能賽艇與一艘商業(yè)渡輪比賽。設(shè)計(jì) 這樣一艘小艇背后的預(yù)算可能特別低，失敗的后果多就如同人群打濕了衣服、失掉了比賽，但是花在建立結(jié)構(gòu)性能模型上面的時(shí)間（每單位位移）會(huì)比渡輪要高得 多，因?yàn)槠浞桨傅膬?yōu)化水平包括了擴(kuò)大在水面上獲勝的可能性、在使用的模擬工具上所花的成本相對(duì)更低、以及保證材料性能的有效性。但是那些工程師關(guān)注的是復(fù) 合材料加工，特別是那些節(jié)省時(shí)間的多軸織物；在這些方法被廣泛使用之前，他們面對(duì)的是一個(gè)完全不同的模擬景觀，分析的速度需要改進(jìn)，同時(shí)適用的材料數(shù)據(jù)也 需要優(yōu)化。
復(fù)合材料加工和模擬法使用之間的矛盾
近，英國(guó)一家高性能汽車生產(chǎn)商和頂尖合成材料研究學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一次有關(guān)科技的研討會(huì)，會(huì)上雙方一致認(rèn)為生產(chǎn)程序?qū)?huì)更精密、更趨自動(dòng)化，模擬法使用起來也可能會(huì)更加順暢。此結(jié)論的可靠性還有待商榷，但是，一旦結(jié)論正確，將會(huì)產(chǎn)生重要的影響。
相對(duì)于工具表面和隔膜，人的雙手更加難以模仿。受浸泡時(shí)，材料的滲透性會(huì)產(chǎn)生變化，因此很難模仿材料注入時(shí)的過程。規(guī)模和方位未知，因此也難以模仿——而 加工過程越趨自動(dòng)化，就越易模仿。因此，在投資生產(chǎn)前，降低風(fēng)險(xiǎn)的把握也就越大。而這一切都會(huì)使成品質(zhì)量更高（然而這并非是萬無一失的，鑄具過程也同樣是 學(xué)習(xí)過程——但對(duì)于我們來講，完美的產(chǎn)品才是我們的終極目標(biāo)）。成品薄，質(zhì)量越好，缺陷也越少。缺陷越少，在模仿它們以便評(píng)估它們有效工作的效率時(shí)，顧慮 也會(huì)更少。復(fù)合材料中存在一種自動(dòng)化和模擬的良性循環(huán)，前者的增多會(huì)降低后者的復(fù)雜性。
現(xiàn)如今，復(fù)合材料加工的模擬法用戶還僅限于高自動(dòng)化生產(chǎn)（以使用AFP和ATL 的航空航天為主）或者高容量生產(chǎn)（以自動(dòng)化研發(fā)為主）的用戶群。除了這些工業(yè)部門以外，車間內(nèi)的問題其實(shí)都可以用模擬法解決，但是成本會(huì)有些昂貴。像這種 情況發(fā)生的頻率非常高，而且在相關(guān)應(yīng)用的某些領(lǐng)域可能會(huì)令人震驚——例如高性能的汽車以及價(jià)格高昂的游艇領(lǐng)域。
有人可能會(huì)說相關(guān)生產(chǎn)方法、預(yù)測(cè)策略以及相關(guān)材料數(shù)據(jù)的有效性之間的聯(lián)系貌似很深。項(xiàng)目開始之前，項(xiàng)目的規(guī)模越小，其預(yù)算規(guī)劃起來就越不費(fèi)力。但 FORMAX 公司不是這樣想的。隨著加工復(fù)合材料的模擬法改善的越來越完美，以及獲取相關(guān)材料數(shù)據(jù)的方法越來越容易，我們將會(huì)處于一個(gè)不僅能夠?qū)ο乱淮詣?dòng)化生產(chǎn)程序 有所幫助，還能夠?qū)ㄔ炷軌蜈A得比賽的游艇的客戶有所幫助的絕佳位置。