復合材料零件的生產依賴于越來越多的加工技術，這些技術對零件的性能有很大的影響。通常會使用過程模擬工具針對特定材料優化制造過程，而常用的技術有注塑成型、注塑壓縮成型、壓縮成型等。所有這些方法都與短、長和連續纖維增強塑料結合使用，以提高強度。復合材料在很大程度上受到零件制造工藝的影響，這可能導致終制造零件的材料行為不均勻，給設計過程增加了另一個挑戰。

 

　　制造、微觀結構、材料特性和終性能是相互依賴的

　　為了達到某些特定性能約束實現佳設計，必須對加工步驟、結構設計甚至材料本身進行優化循環。零件的終性能將同時取決于這三者，因此同時考慮它們是很重要的。如今可以建立多尺度模擬，其中所有三種影響因素可完全耦合，因此可以用一種獨特的方法進行研究，從而實現更精確的分析和更短的設計周期。

　　復合材料通常由嵌入增強物的基體組成。基體相和增強相根據其特性和性能、具體應用進行調整。通過改變復合材料的微觀結構，這些材料性能也得到了調整，從而產生了一系列不同的宏觀響應，這些潛在可能的變化可能包括增強體含量或形狀，短纖維、長纖維或連續纖維。這些參數不同以便定制終的材料性能。

　　無論使用何種復合材料，定制的性能以及它們的實際效益在很大程度上取決于材料的微觀結構，這就是設計的復雜性所在。制造過程對材料的微觀結構有著直接的影響。這意味著加工步驟將定義零件中的局部材料特性，而這些特性可能因位置而異，并直接導致整個復合材料零件中的一系列材料屬性。這種性能分布將直接影響復合材料設計的整體性能。因此，零件的制造、局部微觀結構、材料性能和終性能是相互依賴的。

　　為了充分利用定制的復合材料，必須考慮所有這些影響因素。在這種情況下，需要建立基于加工模擬的耦合分析，并將影響映射到結構分析。連接加工和性能的關鍵部分是材料模型，它必須能夠根據工藝模擬預測的材料微觀結構輸入來預測局部復合材料性能。這一目標可以通過建立基于細觀力學模型的多尺度分析來實現。

　　此類分析先需要輸入基體和增強相的單獨屬性，然后根據微觀結構的附加信息重新組合，以計算材料的局部性能。所得到的材料模型是微觀結構的函數，能夠描述復合材料在各種載荷作用下的剛度和失效，并自動包含材料的各向異性。將材料模型定義為微觀結構的函數，建立耦合多尺度分析的另一個挑戰來自于通過工藝模擬預測復合材料微觀結構。

 

　　對于目前常見的注塑成型、壓縮成型等，目前都有商業軟件工具用于執行處理模擬。但是重要的是要了解不同方法的加工模擬和結果不同，微觀力學模型也可能特定于材料。在進行耦合分析之前，需要提出的關鍵問題包括：

　　是否存在所需制造方法的加工模擬？

　　這種加工模擬是否提供了可用于微觀力學建模的局部微觀結構的信息？

　　是否存在描述所需復合材料性能的微觀力學材料模型？

　　當所有這些問題都能得到肯定的回答時，至少可以實現耦合分析的基本方法。對于短纖維增強塑料，其耦合分析比較常見?；诰人?，耦合剛度分析（包括溫度和應變率相關性）在過去幾年中已發展成為一個標準。該工藝也可用于長纖維增強塑料（LFRP）。

　　單向復合材料和機織復合材料的復合設計從材料層面上的材料表征開始，然而在試樣層面上，纖維每層堆疊中的取向很容易描述，也很容易合并到模擬模型中，但當轉向真正的零件時，情況變得越來越復雜。這類零件具有曲面，通過某些制造方法生產時，曲面將影響纖維的局部取向。

　　總之，復合材料結構的設計是一項具有挑戰性的任務。零件的制造、局部微觀結構、產生的復合材料性能和終性能是相互依賴的。為了充分利用定制復合材料的性能進行優化設計，必須考慮所有這些影響。隨著所有行業不斷推出更輕量化的結構，復合材料設計將是未來成功的基本組成部分。

　?。▍⒖迹篈erospace & Defense Techonlogy Magazine）