建模仿真:“集成計(jì)算材料工程”未來(lái)復(fù)合材料的突破
日期：2015-03-14
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Dale Brosius成立了自己的咨詢(xún)公司，服務(wù)于復(fù)合材料行業(yè)的客戶(hù)。服務(wù)內(nèi)容包括戰(zhàn)略規(guī)劃、市場(chǎng)分析，協(xié)助并購(gòu)活動(dòng)和技術(shù)支持。他曾供職于美國(guó)陶氏化學(xué)有限公司、氰特公司和澳大利亞Quickstep公司等。在近發(fā)表的談話中，他談到了建模仿真在未來(lái)復(fù)合材料發(fā)展中的作用。談話內(nèi)容如下：
在2013年7月發(fā)行的高性能復(fù)合材料(HPC)中，他認(rèn)為，載人戰(zhàn)斗機(jī)F -35將是后一個(gè)。這是基于一個(gè)不可否認(rèn)的事實(shí):計(jì)算能力將繼續(xù)大幅增長(zhǎng)，使人工智能超過(guò)人類(lèi)飛行員的戰(zhàn)斗能力。他還提到，由于無(wú)人機(jī)能比有人機(jī)更具性能優(yōu)勢(shì)，因而這將為復(fù)合材料提供新的機(jī)遇。在2014年10月期的HPC的姊妹雜志——復(fù)合材料技術(shù)(CT)上，他表示，與消費(fèi)電子和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)相比，復(fù)合材料的創(chuàng)新速度還是太緩慢了。與30年前相比，一個(gè)智能手機(jī)的計(jì)算能力超過(guò)了一屋子的處理硬件，然而我們?nèi)匀浑y以克服復(fù)合材料應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施、汽車(chē)和飛機(jī)的內(nèi)在障礙。
他把他的職業(yè)生涯付諸于“做實(shí)事”，他認(rèn)為計(jì)算機(jī)建模與仿真是一群在屏幕上的漂亮圖片。在虛擬中不能開(kāi)車(chē)去餐館或者乘一架虛擬的飛機(jī)飛到夏威夷，我推斷。真正的制造——制備成噸的環(huán)氧樹(shù)脂，鋪層，固化預(yù)浸料，在一個(gè)封閉模內(nèi)進(jìn)行紡織預(yù)成形體的熔滲——就是使復(fù)合材料塑造成我們的橋梁，我們的汽車(chē)和飛機(jī)。不過(guò)，就大多數(shù)我的經(jīng)驗(yàn)關(guān)于計(jì)算機(jī)建模/仿真是CAD或有限元分析專(zhuān)家的事，他們提出零部件的適于制造的角度或尺寸，或提出初始層壓方案，然后評(píng)價(jià)壓力的結(jié)果，以確定需要添加或者帶走更多材料的部位。是的，所有非常基本的東西。
然而，在過(guò)去的幾年里，他一直對(duì)高壓RTM的型腔充填分析和采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的液體傳熱介質(zhì)進(jìn)行的熱模擬，在實(shí)際驗(yàn)證中提高精度的研究印象深刻。因此，他相信，在大的方面，計(jì)算能力有可能真正改變復(fù)合材料行業(yè)。
去年12月，他參加了“復(fù)合材料”在美國(guó)圣地亞哥舉辦的2014碳纖維會(huì)議，我順路拜訪了BIOVIA——軟件巨頭達(dá)索系統(tǒng)（位于法國(guó)Velizy-Villacoublay）的子公司，以其CAD程序CATIA著稱(chēng)。有人給我展示了一個(gè)產(chǎn)品稱(chēng)為材料工作室，它模擬物質(zhì)的分子和原子的水平，并模擬這些材料如何與其他材料的相互作用。制藥行業(yè)已經(jīng)使用的這樣的工具來(lái)開(kāi)發(fā)新藥物，一些先進(jìn)復(fù)合材料供應(yīng)商正在研究如何利用它們來(lái)設(shè)計(jì)新的樹(shù)脂和改善纖維/基體附著力。
理論上，分子水平上的屬性可以擴(kuò)展到全尺寸的零件，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)飛機(jī)機(jī)翼的性能或車(chē)輛橋梁而無(wú)需構(gòu)建和測(cè)試大量的試樣和子元件。集成計(jì)算材料工程（ICME）一詞已經(jīng)創(chuàng)造了定義這個(gè)概念。雖然我相信我們距離能夠跨越整個(gè)路程仍需幾年，但今天有很多的計(jì)算工具——正確集成——提供基本材料數(shù)據(jù)的能力，再組裝起來(lái)，幫助我們完成設(shè)計(jì)和制造。
那么，怎樣才能使這一切成為現(xiàn)實(shí)？先，需要與各種仿真/設(shè)計(jì)軟件公司合作。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手需要協(xié)作，確保數(shù)字設(shè)計(jì)可以被納入模型，預(yù)測(cè)事故的行為，然后轉(zhuǎn)化為仿真工具預(yù)測(cè)生產(chǎn)參數(shù)，如壓力、時(shí)間和溫度。反過(guò)來(lái)，這將確保一個(gè)好的零件沒(méi)有過(guò)多的孔隙或其他缺陷。這將涉及公共信息交換協(xié)議。使這些迥然不同的工具在一個(gè)平臺(tái)上，如普渡大學(xué)發(fā)展復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造中心(cdmHUB)是讓所有軟件提供者一起工作的一個(gè)主要的步驟。
更重要的是讓所有美國(guó)制造業(yè)“老前輩”購(gòu)買(mǎi)并開(kāi)始使用這些軟件工具，尤其是更復(fù)雜的，以減少在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)。
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