結構型纖維的定義和模擬法的使用
FORMAX 先采購光纖，再對其進行加工處理，然后將其作為結構光纖出售，以用在復合材料中。在某些情況下，一些大客戶會與大型光纖制造商簽訂合同，并聘請我們加盟，合作生產具有特定結構的光纖。
然而，對于其他客戶，我們的角色逐漸擴大，包括提供咨詢服務，這意味著我們需要充分利用我們的纖維加工知識、對纖維性能的了解以及20多年定做特定結構纖 維的經驗來幫助客戶們針對需要制造合適的復合材料。我們已經加工過了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，由于汽車領域客戶需要在產品設計的早期階段對產品 的加工過程和性能進行模擬測試，客戶對我們額外服務的需求——模擬支持需求逐漸增加。
再加上模擬復合材料加工過程的需求不斷增加，FORMAX 和英國諾丁漢大學于2012 年達成了知識轉移合作伙伴關系（KTP），旨在提高全公司的理解水平，使其更加了解復合材料加工及性能的特征以及測試、模擬過程。學術理論上，KTP 由Andy Long 教授和Andreas Endruweit 博士負責，公司運作方面由畢業于愛爾蘭國立利莫瑞克大學的Liam O Sullivan 負責。
復合材料工程——預測材料的形變，斷裂及制造過程
在結構工程設計中，通過人工計算，迭代分析和數值法可以預測材料的受力和受力時發生的形變。工程師使用的方法是大家通用的，依靠有關材料性能的知識來進行 決策，以確保材料的正確選用與使用。整個設計過程，從概念到生產制作，加上偶爾使用不同種類的纖維，纖維結構和聚合物，決策過程不斷重復并得以優化。這些 方法使得組件的設計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雜性，工程師的經驗以及對所用結構材料的了解。 此外，通過模擬不同材料和其幾何形狀的結構性能，這些預測方法可以在實際生產之前優化設計。
結構工程師有責任注意并預測給定部件的制造過程，先用適當的方法檢查生產的可能性，隨后與壓膜或過程優化工程師一起尋找制造過程中可以優化的地方。
對于由預制材料（如木材、金屬）制造的結構組件來說，對制造過程進行預測僅僅意味著評估加工或裝配所需的空間并分析沖壓和連接的影響，過程相對簡單。然而，對于由模壓復合材料制成的結構件來說，對該過程的預測往往更加復雜，因為結構材料和組件需要同時制造。
對加工過程及組件性能預測投入多少時間和資源取決于項目的價值、項目成功所需要達到的優化水平、相關的風險以及失敗的后果。任何一種情況下，都需要設計過程中材料具有特定的性能，還需要一定的方法，從這些性能中計算出對設計有用的信息。
復合材料的性能是誰給予的？
對于特定的設計任務來講，結構工程師們需要將所用材料的相關性能納入到考慮范圍之內。對于工程師來說，如果他們能對一系列的復合材料有所了解，那再好不過 了。了解的內容包括復合物的各部分材料和程序。如果花銷在預算范圍之內，那么公司內部制造的商品以及對一系列材料、操作步驟的測試將能使工程師更好、更直 觀的控制測試程序，并且避免有些想要賣自己材料的人對于自己產品的自夸自擂。然而，在早期的設計流程中，項目準備材料的清單并不是由商業和技術發展來決定 的，因此可能無法使用這兩者的組合。在這樣的情況下，對于預算少或時間短的較小的項目中的預選實驗來說，內部測試或許是不可行的。在這種情況下，工程師會 向復合供應鏈尋求幫助。
由于這些材料的復合特性，訪問這些性能并不總是簡單直接的。至于與加工有關的特性，提供相關數據的責任通常落在各個材料生產商的身上。聚合物生產商提供混 合與固化所需的數據。纖維生產商能夠協助提供一些織物生產以及后續成形的摩擦系數的上漿信息。鑄工需要了解結構織物在切割、預成型、注射以及其他程序中是 如何表現的，并且明確的了解織物是如何體現出這些特性的。
有關復合材料終性能的相關特性的情況還不是很清楚。復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、用于自動纖維鋪放 (AFP) 或自動帶狀鋪疊(ATL)的預浸漬、織物生產、織物的二次加工以及終模塑。參與這些過程的獨立公司的數量以及潛在的信息來源取決于供應鏈內縱向整合的程 度。理論上來講，一體化程度較高的供應鏈的直接過程對工程師來說更加簡單明了。而一體化程度較低的且直接程度較低的過程對工程師來說會有難度。若許多供應 商參與其中，那么獲取終復合材料的性能會更加困難。
FORMAX 是如何定義物質屬性、創立物質屬性的數據庫的
在供應鏈的全過程中需要了解復合材料的特性。除了復合材料工程師的需要，纖維制造業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 合材料。為了改善新產品合成的性能，主要是與其他供應商的纖維合成，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。以供應鏈中單 個機構看來，外部需要的數據有三個目的：一、通過發展源于供應鏈的新產品，創造更多的商業機會。二、從整體上改善供應鏈（與其他非復合材料相比）。后， 對于自己材料的特性深入了解。
在FORMAX 創意部門，物質檢測的具體目標是簡單的：從外部看，就是要處理好客戶和供應商的問詢；從內部看，就是要通過對自己現存商品的數據庫的全面了解促進產品的發展。聽起來簡單直接，但是提供這些信息遠遠比預想的更具有挑戰性。
當考慮到物質屬性數據庫的不斷完善時，先要考慮的是，在預算范圍內，哪些特性是相關的且可實現的，哪些特性是需要直接忽略的。然后在處理與客戶和供應 商的關系時，現存數據的可用性主要取決于選用的紡織材料、聚合物，還有用于生產的物質的檢測板。此外，除了內部的檢測結果，數據庫也可從客戶那里獲得具體 的信息，不過在對外發布時需謹慎。
起先，FORMAX 物質數據庫包含基本的復合材料屬性，主要是在內部生產、我們自己紡織材料和生成聚合物基體檢測中形成的，它的呈現形式也使顧客能夠在工程設計輪就用 到它。之后設計的重申使我們需要把同樣的結構纖維在客戶挑選的樹脂系統里進行檢測，用客戶挑選的程序和人力去生產。這一輪檢測后的纖維可能直接進入有限元 分析編碼，從而能夠預測其壓力承受度和變形度。自2012 年，數據庫得以發展，現如今已經包括纖維加工性能數據，還有作為整理復合織物的性能?？椢锏募庸ば阅軘祿☉覓煨?、穩定性還有滲透性。
為了進一步討論纖維結構（與纖維和聚合物分開來看）的復合材料性能，通過常規化檢測結果算出纖維的使用因素，纖維的使用量和纖維的特點。
為了進一步討論關于客戶具體信息的數據，僅可以從“大值- 平均值- 小值”的表格去看數據庫。于是拿到纖維結構，不看其他單項檢測結果、纖維或者聚合物，都可以預測出纖維可能的功用和加工性能。
模擬法及其在復合材料加工中應用的復雜性
結構工程師們對提升確定性的需求帶來了物理試驗和模擬技術之間恰到好處的混合，物理實驗可以應用于原料、組件和裝配三個層次，而其價格也逐級提升。本文中 所提的模擬是指一種計算力學的形式，其目的在于通過揭示材料應有的變化和反應，不依賴于昂貴的物理實驗，在增加結果的確定性的同時降低所需的費用。模擬法 所表現出的這種既能夠增加結果確定性又能夠降低開支的潛力，為更先進的預測手段和用于分析材料的處理和性能的更復雜的模擬工具的發展提供了商業方面的案 例。
力學是研究材料在受到負荷或位移時的性狀的一門科學。計算力學應用的范圍包括用于小尺度下模擬原子和分子，以及可見尺度下應用結構力學、計算流體力學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。
結構工程師們使用結構力學，具體來說是有限元法將結構分解成可控的小碎塊，用以建立模型模擬負載的轉移和變形的整個過程。
FE（有限元）分析法對復合材料的分析可以通過以下的途徑實現，將復合材料視作由一些不同的層面單元分別獨立標示并“粘合”在一起形成的層合結構。該方法 將各層面單元視為正交的材料，并且在X、Y、Z 三個方向上都可以被定義，并且通過基于經典層合理論（CLT）的方法預測整體層合結構的反應，這種數學方法對于使用者是清晰易懂的。然而該方法中有許多假 設且對于無經驗的使用者來說有很多陷阱。相比較于應用在多軸織物中，這個計算方法更適合于應用在模擬由單向層面單元合成的層合結構中。
在工程設計的觀念中，UD（單向層面單元）方法在纖維取向上更具有靈活性，對于那些運氣好的工程師來說，這一點在排名他們終成品的性能（和創新度）上比 生產效率更令他們感興趣。工程師們考慮后者時，往往是在雙軸、三軸和四軸織物的應用上，它能夠讓工程師們表示出（復雜）多軸組織結構，這是（相對來說徑直 的）單向層面單元（UD）不能勝任的。單胞法（通過如Texgen 或Wisetex 建模的單個的、重復的組織架構模塊）在建立相關構建組織架構方法的同時，推動了這一方面趕上對縫紉架構應用的腳步。
為避免這樣一個多少有點耗費勞動力的單胞法，有限單元法在分析多軸層合結構時經?；趩蜗驅用鎲卧軜嫷慕Y構之上，同時在掛片試驗階段，任何模型和實際情 況的不同點都要注意到并且作為校準步驟反饋到設計中。在一個極其簡化的例子中，如果基于UD的FE 模型預測一個層合結構的模量為10，而多軸層合結構在掛片試驗中的結果是9，工程師應該依據實際情況減去各個獨立的層面板，低例如10%，并以此再進行 一個掛片實驗分析，不斷重復直到模型符合實際。這種“掛片校準”材料的模型與更復雜的針對后部分的幾何學分析相比較誰更勝一籌還有待再接下來設計環節中 的舞臺上考量。還有一種方法，前期也許工作比較多但后期更安穩，即通過實驗推導多軸織物的力學性能，將其作為單一的層面單元帶入FE 模型中。
對成型中的結構織物采用FE 分析也是可能的，但是問題會變得更復雜。在結構力學之中，問題被分為線性的和非線性的。例如，力和位移的線性關系就如同將質點放在彈簧上，彈簧的長度隨質 點施力有比例的變化。非線性關系就如同它聽起來的樣子：原因和影響之間的關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 （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接觸或擠壓）。由預先設定好的工具構建的結構織物包括了這三種非線性 特征：織物的性能表現，包括縫紉結構與纖維之間相互作用造成的復雜變化；預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 線性問題的這三個方面的任何一個都需要一種迭代的方法，將整個問題分解成步驟，每個步驟按順序解決。
這帶來的影響是計算時間增加，有時候更需要與用戶確認解決方法的有效性。顯而易見的是，解決非線性問題的全部三個方面（因為整合加工需要）會更加吃力。甚 至有的代碼是被專門設計用于模擬成型過程的，包括ESI 做的PAM-FORM，ESI 是諾丁漢大學在KTP上的伙伴。其他的是經過改造的（通過調用用戶生成的實質性的子程序），包括Dassault Systems 做的Abaqus。
用EF 模擬的松脂流動模型能夠實現兩個基礎且相關的目標：是估算注滿給定區域所需的時間，第二是優化松脂注入區域和出口以減少注入時間，避免干斑出現。由于 注入過程中加壓的變化（因為真空灌注或輕型樹脂傳遞模塑），使得聚合物反應和纖維中會出現非線性特征。像ESI 做的PAM-RTM 以及Polyworx 這一類代碼已經成為現成的產品。但是再一次，所需測試織物相關數據的有效性（這個例子中主方向上單位片段范圍中的滲透性），以及結果的準確性，極大的影響 了在工業中對其的采用程度。
如之前所提，一般來說，有許多因素會影響對復合材料的模擬策略，包括項目價值，所需求的優化水平，失敗的風險與后果。現在明確的是，對于現在能用的模擬工 具，我們需要在其成本和能力方面投入更多。至于復合材料性能的分析，其現狀是相對成熟并且精良的：50多年來，該領域產出了大量的有效的軟件包，并且在不 斷改進，圖形用戶界面也更加合理。低價產品井噴式的出現，對于有頭腦有遠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渡輪比賽。設計 這樣一艘小艇背后的預算可能特別低，失敗的后果多就如同人群打濕了衣服、失掉了比賽，但是花在建立結構性能模型上面的時間（每單位位移）會比渡輪要高得 多，因為其方案的優化水平包括了擴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更低、以及保證材料性能的有效性。但是那些工程師關注的是復 合材料加工，特別是那些節省時間的多軸織物；在這些方法被廣泛使用之前，他們面對的是一個完全不同的模擬景觀，分析的速度需要改進，同時適用的材料數據也 需要優化。
復合材料加工和模擬法使用之間的矛盾
近，英國一家高性能汽車生產商和頂尖合成材料研究學術機構進行了一次有關科技的研討會，會上雙方一致認為生產程序將會更精密、更趨自動化，模擬法使用起來也可能會更加順暢。此結論的可靠性還有待商榷，但是，一旦結論正確，將會產生重要的影響。
相對于工具表面和隔膜，人的雙手更加難以模仿。受浸泡時，材料的滲透性會產生變化，因此很難模仿材料注入時的過程。規模和方位未知，因此也難以模仿——而 加工過程越趨自動化，就越易模仿。因此，在投資生產前，降低風險的把握也就越大。而這一切都會使成品質量更高（然而這并非是萬無一失的，鑄具過程也同樣是 學習過程——但對于我們來講，完美的產品才是我們的終極目標）。成品薄，質量越好，缺陷也越少。缺陷越少，在模仿它們以便評估它們有效工作的效率時，顧慮 也會更少。復合材料中存在一種自動化和模擬的良性循環，前者的增多會降低后者的復雜性。
現如今，復合材料加工的模擬法用戶還僅限于高自動化生產（以使用AFP和ATL 的航空航天為主）或者高容量生產（以自動化研發為主）的用戶群。除了這些工業部門以外，車間內的問題其實都可以用模擬法解決，但是成本會有些昂貴。像這種 情況發生的頻率非常高，而且在相關應用的某些領域可能會令人震驚——例如高性能的汽車以及價格高昂的游艇領域。
有人可能會說相關生產方法、預測策略以及相關材料數據的有效性之間的聯系貌似很深。項目開始之前，項目的規模越小，其預算規劃起來就越不費力。但 FORMAX 公司不是這樣想的。隨著加工復合材料的模擬法改善的越來越完美，以及獲取相關材料數據的方法越來越容易，我們將會處于一個不僅能夠對下一代自動化生產程序 有所幫助，還能夠對建造能夠贏得比賽的游艇的客戶有所幫助的絕佳位置。
