复合材料制造过程仿真技术综述

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1、№uta㈨。。小I。㈣。制造与仿真元振毅1，王永军1，蔡豫晋1，郭俊刚2，苏霞2，孙博2(1．西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心，西安710072；2．中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，西安710089)[摘要】复合材料制造过程仿真技术的有效应用可以在复合材料构件设计之初对其制造过程中可能出现的缺陷，如分层、孔隙、温度不均、变形等问题进行预测，从而为优化构件结构、调整工艺参数或模具型面提供依据。对目前复合材料设计制造领域常用的一些软件进行简要介绍，并针对目前复合材料制造过程温度场分布和固化变形仿真技术中存在的问题进行了阐述与讨论。关

2、键词：复合材料；制造仿真；温度场；固化变形DoI：10．16080巧．issnl671—833x．2017．04．047元振毅博士研究生，现就读于西北工业大学机电学院，主要研究方向为复合材料固化成型过程仿真分析及变形控制技术。先进树脂基复合材料(AdvancedPolymericComposites，APC)，如不特别说明，本文后续提到的复合材料就指代先进树脂基复合材料)具有比强度高、比模量大、耐高温、抗腐蚀、可设计性强以及隐身性好等系列优点，20世纪70年代初即开始应用在飞机结构上，目前在航空领域得到广泛应用，继铝、钢、钛之后，迅速发展成航空4大结

3、构材料之一。纵观欧美发达国家，各种先进飞机的问世均与先进复合材料技术紧密相连，如波音787复合材料用量达到50％，而空客A350更是达到52％，可以说复合材料在飞机上的应用部位及应用量已成为衡量航空结构先进性的重要标志之一[1-2]。同金属材料相比，复合材料具有材料制造与结构成型同时完成的特点，材料的性能通过制造过程被赋予到结构上，因此复合材料构件的成型过程就突显出其重要性。目前，国内复合材料生产制造过程面临着产品研制周期长、质量稳定性差、生产成本高等问题，严重制约了航空工业发展。据统计，复合材料结构的制造成本一般占总成本的70％以上。因此，对复合材

4、料构件的制造过程进行深入研究，并对影响成型质量的各种因素进行有效合理控制是提高我国复合材料制造水平的关键点之一。复合材料铺层结构设计复杂、固化过程影响因素多，甚至存在某些结构在工艺上难以实现的问题。传统成型复合材料构件方法为试错法，即在工艺人员经验和工艺试验的基础上对构件模具结构、型面以及固化工艺规范进行反复调整或补偿加工，从而满足设计要求。这种方法耗时费力，对大型复杂复合材料结构难以适用。随着计算机技术、有限元技术的发展，以及复合材料基础理论体系的完善，虚拟仿真技术得到飞速发展。目前，国内外众多企业和研究机构针对复合材料构件制造各个环节的理论问题进

5、行研究，并试图用各种物理模型和数学模型进行制造过程描述来实现设计制造一体化，从而完成对产品设计结构、工艺参数及模具结构的优化。近年来，多种复合材料设计、分析软件被相继开发并应用到复合材料的设计、分析与制造过程，推动了复合材料在航空工业的发展。本文介绍几种常见的仿真软件，阐述仿真技术在复合材料制造中的应用，针对仿真建模中的几个关键陛问题进行分析，并讨论仿真技术在我国航空工业的发展趋势。2017年第4期·航空制造技术47钐论坛F。RuM常用复合材料仿真软件利用仿真技术，对复合材料构件的制造过程进行数值模拟，可以分析模具与复合材料构件受热是否均匀、基体树脂

6、是否固化完全、构件内部残余应力分布以及脱模后回弹变形情况，有助于工程师在设计之初就考虑到构件在制造过程中可能遇到的问题，从而缩短研制周期、降低制造成本。目前，国内外常用的主流仿真软件如图1所示，下面将常用的几种软件进行介绍。LaminateTools是英国Anaglyph公司旗下的一款集复合材料设计、分析和制造于一身的商业软件。该软件由显示、设计、分析、检查以及制造工艺5个基本模块组成，尤其是其检查模块，可以快速便捷地读取ANSYS、Patran／Nastran、ABAQUS等有限元软件的结果文件，进而根据计算结果进行问题修改。该软件可以实现复合材料

7、构件从铺层设计到制造信息输出的完整流程。目前LaminateTools在国外复合材料产品制造过程中已广泛应用，包括航空、汽车、船舶以及风能等领域。AWl89直升机复合材料进气道的设计制造过程就是采用了该软件，有效减少了二次装配连接的费用，缩短了研制周期。VISTAGY公司开发了复合材料设计软件FiberSIM，该软件支持复合材料零件从概念设计到制造的整个过程，允许设计人员同时在产品设计、材料、结构以及工艺过程约束之间进行权衡分析，并且可以集成于CATIA、Pro／E和UG等三维造型软件中。利用该软件可以进行复合材料构件的工程设计、曲面展开、铺层以及结

8、构工艺性分析等，并通过相应的接口将这些信息传递给自动下料机、激光铺层定位系统以及纤维铺放设备等，基本可以覆盖