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復(fù)合材料以其比強(qiáng)度、比模量高，耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)界得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。特別是在航空航天方面，由于鋼鐵和有色合金很難滿足日趨苛刻的重量、力學(xué)等設(shè)計(jì)性能要求，復(fù)合材料更是得到了廣泛的應(yīng)用。波音787和A350飛機(jī)的復(fù)合材料用量都超過(guò)50%，同時(shí)也在研發(fā)過(guò)程中面臨許多重大挑戰(zhàn)，除了大量的小樣件和部段試驗(yàn)件的試驗(yàn)測(cè)試，仿真優(yōu)化技術(shù)也是解決各種技術(shù)難題，縮短研發(fā)周期的重要技術(shù)手段。
Altair公司是的工程設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)者，旗艦產(chǎn)品HyperWorks軟件包含了HyperMesh、OptiStruct、RADIOSS、MotionView、HyperStudy等著名模塊，是的企業(yè)級(jí)產(chǎn)品創(chuàng)新解決方案。過(guò)去10年，Altair公司投入巨大的人力物力，跟航空工業(yè)界緊密合作，基于HyperWorks軟件平臺(tái)，開發(fā)了復(fù)合材料建模、仿真、優(yōu)化、可視化后處理等技術(shù)，目前已經(jīng)在空客和波音等公司得到大量應(yīng)用。
復(fù)合材料建模技術(shù)
HyperMesh是目前上著名的CAE前處理軟件，提供了無(wú)與倫比的建模功能和廣泛的CAD和CAE軟件接口。針對(duì)復(fù)合材料，HyperMesh提供了專業(yè)的復(fù)合材料前處理模塊HyperLaminate，具有直觀便捷的用戶界面（如圖1所示），可以快速地對(duì)復(fù)合材料模型進(jìn)行創(chuàng)建、檢查和編輯，直觀定義每一鋪層的厚度、角度及材料屬性（纖維及基體），定義各種復(fù)合材料失效準(zhǔn)則等。
HyperMesh支持ply+stack的復(fù)合材料鋪層定義方式，即定義出各復(fù)合材料物理鋪層的范圍（用單元集表示），一個(gè)物理鋪層對(duì)應(yīng)一個(gè)ply卡片，然后通過(guò)stack卡片把各個(gè)ply按次序?qū)盈B起來(lái)，形成完整的層合板。例如，復(fù)合材料T型長(zhǎng)桁與蒙皮膠接結(jié)構(gòu)可以通過(guò)圖2所示的方法來(lái)定義。
采用ply+stack建模技術(shù)，可以方便地對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行建模和編輯、三維顯示和鋪層方向顯示等，如圖3所示。
復(fù)合材料分析求解技術(shù)
HyperLaminate自帶經(jīng)典的層合板理論求解器，可以計(jì)算出層合板的[A][B][D]矩陣（如圖4所示），以及等效的材料[G1]，[G2]，[G3]，[G4]矩陣，可以將復(fù)雜的三維各項(xiàng)異性的復(fù)合材料層合板等效轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單的二維各向異性材料平板，實(shí)現(xiàn)模型信息保密，方便采用PSHELL單元建模。
RADIOSS是功能強(qiáng)大的有限元求解器，具有線性，顯式、隱式非線性求解功能，擁有拉格朗日、歐拉、ALE、SPH等算法，及有限元、有限體積等數(shù)值處理技術(shù)；可用于結(jié)構(gòu)的線性、非線性和流固耦合等問(wèn)題的求解。RADIOSS支持復(fù)合材料的定義和求解，支持PCOMP定義鋪層，PCOMPG定義總體分層，PCOMPP定義鋪層形狀及次序，可以方便地求解出各鋪層的應(yīng)力、應(yīng)變和失效指數(shù)。此外，RADIOSS提供多種單元和材料格式，可以精確地模擬各種非線性現(xiàn)象，如分層，失效、撞擊破壞等，如圖5所示；提供全面的失效準(zhǔn)則，如Tsai-Wu、Chang-Chang、Hashin、Puck、Yamada Sun&Ladeveze-Allix準(zhǔn)則，并且可以在一種材料中應(yīng)用多種失效準(zhǔn)則。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減重技術(shù)
“為減輕每一克重量而努力”是每個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師的工作信條。復(fù)合材料相比金屬，天生具有重量輕的優(yōu)勢(shì)，如果充分發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性能，在鋪層層面上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則更具有輕量化的優(yōu)勢(shì)。
OptiStruct具有強(qiáng)大而全面的復(fù)合材料優(yōu)化能力，支持從初的零件結(jié)構(gòu)樣式，到鋪層裁剪形狀和厚度分布，到鋪層角度和層數(shù)（鋪層比）的優(yōu)化，到終鋪層層疊次序的各個(gè)階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以考慮各鋪層的應(yīng)力、應(yīng)變、失效、屈曲等性能約束，以及各種工藝要求，提供了前所未有的復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，其設(shè)計(jì)流程如圖6所示。
應(yīng)用案例
HyperWorks復(fù)合材料仿真優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)在航空工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，并取得大量的工程成果，部分案例如圖7~圖9所示。
結(jié)束語(yǔ)
HyperWorks復(fù)合材料仿真和優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并在國(guó)外新一代飛機(jī)（如A350和波音787）研發(fā)設(shè)計(jì)中得到驗(yàn)證，在Altair的航空航天工程咨詢團(tuán)隊(duì)同國(guó)內(nèi)單位的復(fù)合材料項(xiàng)目合作中也取得許多工程成果。