ANSYS在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用

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ＡＮＳＹＳ在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用

孟志华：

毕业于武汉理工大学工程力学系。现任

安世亚太公司北京办事处高级应用工程

师。主要从事复合材料结构设计与制造

工艺的仿真技术研究，先后从事８６３课

题——“车用树脂基结构件低成本制造

技术”、ＲＴＭ中低温固化成型工艺模拟．

汽车用复合材料飞轮转子等项目的研究

与设计工作

复合材料的主要组分是增强材料和基体材料，复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能之间的互补和关联而呈现优异的性能。

复合材料具有比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性以及材料性能可设计等特点，将其应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，还可通过合理设计来改善结构性

安世亚太北京办事处孟志华

针对飞机中最常用的树脂基、金属基连续纤维增强复合

材料的结构设计、材料功能研究及制造工艺，分析了复

合材料数字化设计与制造工艺的特点，并介绍了ＡＮｓＹｓ

在飞机数字化设计与制造中的应用

能。目前，复合材料技术已成为影响

飞机发展的关键技术之一，并逐渐应

用于飞机等结构的主承力构件中，西

方的先进战斗机上复合材料使用量

已超过结构重量的２５％。特别是波音

公司最新研发的梦想飞机（Ｂｏｅｉｎｇ

７Ｅ７Ｄｒｅａｍｌｉｎｅｒ），已成为有史以来

第一款在主体结构上采用先进复合

材料的民用飞机，包括机翼和机身在

内的主体结构，以石墨和增强型环氧

树脂复合材料作为其基本构成。机翼

还将采用一种由钛和石墨构成的复

合材料——ＴｉＧｒ。

本文将以飞机中最常用的树脂

基、金属基连续纤维增强复合材料的

结构设计、材料性能研究、制造工艺

为重点，介绍ＡＮＳＹＳ在飞机数字化

设计与制造中的应用。

复合材料数字化设计与

制造工艺特点

与金属材料不同，复合材料的各

向异性导致的材料不均匀性，及其特

殊的固化成型工艺特点，使得复合材

料结构的设计与制造要复杂许多。如

果采用传统的等代设计、准网络设计

等设计方法，复合材料的优异性能将

难以充分发挥；而仅仅依靠经验形成

的制造工艺参数，也难以保证复合材

料的高质量和低成本。同时，复合材

料的结构形成和材料成型是在固化成

型时同时完成的，因此它又具有设计

与制造密不可分的特点。

根据复合材料的特点，其数字化

设计与制造工艺的研究对象主要包

括：

（１）复合材料结构设计：包括复

合材料结构在宏观水平上的受力性

能、气动特性、疲劳特性、隐身特性

和透波性能等。主要是要确定设计结

构的刚度、强度等指标，给出材料的

结构尺寸、铺层形式、纤维体积含量

等设计参数。

（２）复合材料材料性能研究：包

括研究复合材料各相的细观与微观力

学行为，例如材料的界面分层、纤

２∞６年第１期－航空制造技术５３

朋论坛嘲ｕＭ

Ｆ１１７飞机的ＣＡＴＩＡ几何模型与ＡＮＳＹＳ有限元模型的无缝连接

维／基体黏结力、湿热性能等，以使复合材料的各相能充分发挥性能。

（３）复合材料制造工艺研究：包括对ＲＴＭ，ＳＭＣ，缠绕成型等各种高温／低温固化成型过程的材料性能与工艺参数的相关性。

在复合材料的数字化设计与制造中，要利用各种数值仿真技术，对材料结构、性能、工艺进行模拟与评价，保证设计与制造质量。目前的数值仿真技术以有限元方法最为成熟，同时，以有限元法为理论基础的ＣＡＥ软件也已经在国内外各大航空工业研究机构中得到普遍应用。

ＡＮＳＹＳ在航空复合材料中的数字化设计与制造工艺仿真ＡＮＳＹＳ是一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天、机械制造等领域。ＡＮＳＹＳ多物理场仿真及耦合的独特功能，以及２００多种单元类型，可以对航空复合材料结构设计、材料研究及制造工艺提供完整的解决方案。

１复合材料结构设计

在航空复合材料的结构设计中，要利用复合材料宏观力学和有限元理论对结构的刚度、强度、疲劳、气动弹性、电磁隐身等性能进行评价，并确定结构的铺层厚度、角度、层数及结构总体尺寸等。

５４航空制造技术－２∞６年第１期

复合材料宏观力学的有限元方法

的基本原理在本质上与各向同性材料

相同，只是离散方法和本构矩阵不

同。复合材料有限元法中的离散化是

双重的，它包括了对结构的离散和沿

厚度方向的每一铺层离散。

ＡＮＳＹＳ主要在以下方面为复合

材料结构的设计提供了解决方案：

（１）ＣＡＤ数字化模型处理。

针对飞机中的粱、板、实体等复

合材料层合结构，ＡＮＳＹＳ可从ＣＡＤ

软件直接读入几何模型，通过几何修

补和简化、板壳中面抽取、节点偏置、

针对飞机中的梁、板、

实体等复合材料层合结构，

ＡＮＳＹＳ提供了一系列的特

殊单元一一铺层单元，以

模拟各种复合材料。铺层

单元中可以考虑复合材料

特有的铺层特性和各向异

性特性。复合材料结构模

型建立后，能通过ＡＮＳＹＳ

以图形显示和列表的形式

直观地观察铺层厚度、铺

层角度和铺层组合形式，

方便模型的检查及校对。

针对飞机结构中较为

复杂的不同铺层数的变厚度桁／梁等

结构、蜂窝／泡沫夹层结构、蒙皮一

梁组合结构等，ＡＮＳＹＳ还特别提供

了相应的处理方法。

ＡＮＳＹＳ提供的７种铺层单元类

型包括：

?板壳：ＳＨＥＬＬ９１、ＳＨＥＬＬ９９、

ＳＨＥＬＬｌ８１单元。

?实体：ＳＯＬＩＤ４６、ＳＯＬＩＤｌ９ｌ、

ＳＯＬＩＤｌ８６单元。

?实体壳：ｓｏｌｉｄ—ＳｈｅⅡ１９０单元。

?梁杆：ＢＥＡＭｌ８８、ＢＥＡＭｌ８９

单元。

其中，１９０单元

和１８６单元均是最

新ＡＮＳＹＳｌ０．０版

本的新功能，不仅

支持实体一壳、防

止剪切锁定和体积

锁定等最新单元技

术，基本覆盖了复

合材料的ＣＡＥ分析

领域。

复合材料铺层板壳单元的属性定义窗口（３）复合材料结网格自动划分等技术对飞机模型进行构强度／刚度分析。

处理，并形成高效准确的有限元模

型，使之适用于ＣＡＥ分析。同时，

ＡＮＳＹＳ还支持与复合材料设计软件

Ｆｉｂｅｒｓｉｍ的数据连接与传递，可将设

计与仿真连接起来。

（２）复合材料铺层单元技术。

ＡＮＳＹＳ利用铺层单元，就可以

对复合材料结构进行各种非线性、稳

定性、疲劳断裂和动力学分析等结构

分析。完成分析后，可以图形显示或

输出所有铺层及层间的应力和应变等

结果，根据这些结果又可以判断结构

Ｄ∞慨踟…ａＭａｎ幽ｃｔｕｒ嘲们唧…复合材料黼竣牙与劁造

是否失效破坏和满足设计要求。

ＡＮＳＹＳ预定义了３种常用复合材料破坏准则：最大应变失效准则、最大应力失效准则及Ｔｓａｉ—Ｗｕ（蔡一胡）失效准则，来评价复合材料结构的安全性。另外，也可自定义最多达６种的失效准则，对特殊复合材料进行失效判断。例如在某型复合材料结构件屈曲失稳分析中，通过ＡＮＳＹＳ的非线性屈曲分功能，可获得结构的屈曲临界荷载为４８．５ｔ，与试验数据仅差３％。

（４）复合材料的多物理场耦合分

析技术。

ＡＮＳＹＳ最大特色之一就是拥有独特的热一结构一流体一电磁多物理场及耦合分析技术，可以对复合材料结构的固化成型残余应力、气动弹性剪裁、电磁隐身、湿热性能等多物理场及耦合现象做深入全面的研究。

例如，使用ＡＮＳＹＳＦＥＫＯ高频电磁场工具可进行电磁隐身与天线仿真。某飞机机载天线辐射分析见上图。２复合材料性能研究

复合材料是由多种物理相组成的，典型为纤维＋基体的形式，因而纤维与基体材料的选择、组分的构成、界面的处理等，都直接关系到结构的宏观力学性能。对纤维和基体材

料的性能研究，属于复合材料细观力

学的范畴，对复合材料设计与制造有

着重要意义。ＡＮＳＹＳ就是复合材料

细观力学研究的一种重要工具：

（１）纤维与基体的协同受力性能。

在ＡＮＳＹｓ中，以索单元（抗拉

不抗压）模拟纤维，以实体单元模拟

基体，配合弹性、脆性、粘弹、超弹

等材料本构模型，可以分析纤维与基

体在荷载作用下各自的受力情况，以

优化纤维体积含量。同时，通过

ＡＮＳＹＳ接触非线性功能，还可以模

拟纤维与基体之间的黏结力是否满足

要求。

（２）铺层之间的分层失效。

复合材料是典型的各向异性材

料，层间性能很差，因而很容易出现

分层破坏。在ＡＮＳＹＳｌ０．０的最新版

本中，提供了全新的黏结单元模拟复

合材料层间特性。

（３）复合材料层合板自由边的层

间应力集中。

由于复合材料层合板各铺层的泊

松耦合系数及拉剪耦合系数的不同，

导致板壳的自由边界处存在层间应力

集中，而ＡＮＳＹＳｌ８６实体复合材料单

元可以精确分析层间剪切应力以判断

结构是否失效，从而有效解决问题。

３复合材料制造工艺模拟

复合材料的最大特点之一就是在

固化过程中同时完成结构形成和材料

成型，而复合材料制造工艺种类繁

多，包括ＲＴＭ、ＳＭＣ、手糊、缠绕

等，因而成型工艺中树脂的流动、纤

维的铺放、环境温度、固化温度等都

会直接影响复合材料的结构性能。而

应用ＡＮＳＹＳ的结构一温度一流体多

物理场耦合分析功能，即可以模拟不

同的工艺参数对成型的影响，从而避

免了制造缺陷，实现了低成本制造。

如，树脂可用ＡＮＳＹＳ黏性流模型模

拟其流动特性，固化过程也可用

ＡＮＳＹＳ温度场分析功能模拟固化残

余应力的形成与分布等。

ＡＮＳＹＳ作为ＣＡＥ界的优秀软

件，多年来凭借其多物理场耦合和

协同仿真的特点，已得到了航空界

用户的广泛认可，并引领着航空复

合材料数字化结构设计与制造的仿

真分析发展趋势。ＡＮＳＹＳ主要在以

下方面为实现复合材料数字化设计

与制造工艺的模拟与仿真提供了解

决方案：

（１）ＡＮＳＹＳ能够与各种ＣＡＤ数

字化设计和ＣＡＭ数字化制造软件工

具之间实现数据整合与无缝连接，保

证复合材料设计、仿真、制造的一体

化协同，促进企业数字化信息化平台

的建设。

（２）ＡＮＳＹＳ的结构一流体一温

度一电磁多物理场分析功能与耦合分

析功能，实现了航空复合材料的结构

刚度、强度、疲劳、振动、气动弹性、

电磁隐身设计、材料细观性能分析、

成型工艺的模拟与仿真。

（３）ＡＮＳＹＳ可以在复合材料的

数字化虚拟样机中实现复合材料制造

与设计的最优化，减少试验成本，提

高产品质量。

安世亚太愿意与中国的航空复合

材料设计与制造企业一起，在复合材

料设计与制造工艺的数字化信息化发

展道路上携手前进。（责编鸢尾）

２０％年第１期－航牵制造技术５５

ANSYS在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用

作者：孟志华

作者单位：安世亚太北京办事处

刊名：

航空制造技术

英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY

年，卷(期)：2006(1)

被引用次数：2次

引证文献(2条)

1.梁勇芳.张友强复合材料数字化技术的研究进展与应用[期刊论文]-塑料工业 2009(12)

2.武化民.李明俊.徐泳文.孙艳平.苏永生各向异性层合阻尼材料的模态应变能分析[期刊论文]-江西科学 2008(3)本文链接：https://www.sodocs.net/doc/e54484281.html,/Periodical_hkgyjs200601008.aspx