一文了解先进树脂基复合材料成型工艺仿真软件

复合材料零部件研制具有工艺复杂、技术难度大、研制周期长、制造成本高的特点，数值模拟仿真技术是解决这些问题的有效手段之一。当前，先进树脂基复合材料制件成型工艺主要包括 RTM（Resin Transfer Molding）成型工艺、热压罐成型工艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、铺放成型工艺等。这些工艺仿真软件的研发将有效促进数字化复合材料设计制造体系的不断完善。

1 软件概述

先进树脂基复合材料成型工艺仿真软件主要指围绕如何提高先进树脂基复合材料制件质量和优化成型工艺而研发的成型工艺仿真软件，该系列软件随着先进树脂基复合材料成型工艺及模拟仿真技术的发展而不断进步。全球市场上主流的树脂基复合材料成型工艺仿真软件通常按照工艺类型划分，包括 RTM 成型工艺仿真软件、热压罐成型工艺仿真软件、模压成型工艺仿真软件、缠绕成型工艺仿真软件等。从核心的求解器部分来看，软件主要功能可分为流场温度场及固化变形两大部分。其中在流场计算方面，RTM 成型工艺仿真软件的流场计算主要涉及液态和半固态，以有限体积和有限元方法为主，而热压罐成型工艺的流场及温度场计算主要以气态为主，因此有限体积方法在这一工艺中更为主流。固态应力及应变计算的求解器目前均是基于有限元方法。

先进树脂基复合材料成型工艺仿真软件研发前期大多以高校为主，主要进行基础理论及算法研究，后续实现商业化，以软件公司的形式进行，并最终被更大的公司收购以便维护和推广应用。

树脂基复合材料成型工艺的基础理论、模型与算法是开发仿真软件的核心。随着计算机硬件性能的不断提升与算法研究的逐渐深入，众多科研机构逐渐将计算机模拟仿 真 技 术 应 用于先进树脂基复合材料成型工艺仿真 。RTM工艺和热压罐工艺是国内航空航天等行业先进树脂基复合材料成型的主流工艺，因此重点对这两种工艺的仿真技术研发现状进行阐述。从基础模型看，这两种工艺的仿真技术均可分为温度场流场计算和固化变形计算两个部分，由于固化变形仿真这两种工艺的原理差异不大，因此先对差异较大的温度场流场计算部分进行论述，再对固化变形仿真进行论述。

RTM 成型工艺是目前备受关注的复合材料制造技术之一，也是最为成熟的工艺方法之一。RTM 的基本原理是在一定的温度和压力下，利用注射设备将符合特定要求的专用低粘度树脂注入预先铺放好纤维增强材料的闭模型腔中，树脂体系在模具中流动并且逐渐浸润纤维增强材料，然后在一定时间内固化成型，制成具有一定性能和结构要求的复合材料。RTM 工艺主要包括以下几个阶段：纤维增强材料（纤维预制体）设计和制备、纤维预制体铺放、合模、树脂注入和固化、脱模以及后处理等。RTM 成型具体工艺过程如图 2 所示。其中，树脂的注入（充填）和固化是最重要的两个环节，RTM 整个工艺过程中的主要物理和化学过程基本都发生在这两个阶段。充填和固化不仅对复合材料制品的质量和性能产生重要影响，还很大程度地决定了复合材料制品的成型周期和生产成本。就仿真而言，上过程可分为以流场和温度场为主的充填过程和以固化变形为主的固化脱模过程。

热压罐成型工艺是指将单层预浸料按预定方向铺叠成复合材料坯料，放在热压罐内，在给定温度和压力下完成固化过程的工艺方法。热压罐工艺是另外一种被广泛使用的复合材料制备工艺，特别是生产蒙皮类零件这类薄壁件时具有独特优势。到目前为止，由热压罐生产的复合材料占整个复合材料产量的 50% 以上，在航空航天领域，更是高达 80% 以上。就仿真而言，热压罐工艺仿真主要包含罐内的流场和温度场仿真、复合材料制件的固化变形仿真两个部分。针对热压罐温度场及流场计算，国内外学者进行了深入研究，从一维到三维，尤其是随着商业 CFD 软件的发展，极大推进了热压罐复合材料制件温度场的计算。

国内对于复合材料模压成型工艺和缠绕成型工艺也展开了相关研究。王贵彬等针对碳纤维复合材料加固件，在商业化软件 ANSYS 的基础上，进行了模压成型有限元分析；杨金利等开发了基于 Open GL 的缠绕成型仿真系统，实现了三维动态加工的模拟仿真。3 软件发展现状树脂基复合材料成型工艺仿真软件发展历史较长，从20 世纪 80 年代开始，ES 法国 ESI公司就开始吸收高校和研究机构在基础理论研究方面的先进成果，以 RTM 工艺为目标，开始进行商业化开发。随着算法和计算能力的不断提升，同时也随着制造工艺的不断发展，许多新的工艺类型软件都得到了快速发展。针对先进树脂基复合材料成型工艺仿真软件而言，目前主流的 RTM 成型工艺商用软件包括法国 ESI 集团开发的 PAM-RTM、荷兰 Polyworx 公司开发的 RTM-Worx 等；针对热压罐温度场及流场，国内外主要采用商业 CFD 软件进行模拟，例如 FLUENT、CFX、STAR-CD 等。法国 ESI 集团耦合 FEM 和 CFD 技术，开发了专门的热压罐工艺仿真软件 PAM-AUTOCLAVE，西门子基于Simcenter 3D 推出了热压罐成型工艺仿真方案；模压成型工艺商用软件主流的有法国 ESI 集团的 PAM-FORM 等、缠绕成型工艺商用软件有比利时材料工程有限公司（MA-TERIAL）的 CADWIND 等 。对上述软件进行 详细描述如表1 所示。

它是一种用于检查流动可能性、检查最佳浇口位置、预测翘曲、成型周期预测、合模力预测以及设计冷却效率良好的冷却管的模拟，又称树脂注射成型模拟，是产品设计和模具规格设计中塑料制品分析中的一种综合分析。翘曲变形是严重的成型缺陷之一。翘曲是由型腔内不均匀的树脂收缩引起的。换句话说，成型品的形状和浇口位置的设计必须使模腔内的温度和压力均匀，模具冷却管的布置必须使模具内没有温差。

典型的软件有Autodesk的“Moldflow”、CoreTech System的“Moldex3D”和Toray的“3D TIMON”。

它用于预测变形量、应力、应变、是否存在失效以及施加载荷时的失效载荷。在机械设计中，需要知道产品的强度，这是一个非常重要的分析。由于可以在实际制作样品和进行强度测试之前进行模拟，因此可以缩短设计开发周期。

典型的软件包括 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”、Ansys 的“ANSYS”和 Altair 的“OptiStruct”，但软件种类繁多。

分析热量如何在固体内部传递并模拟温度分布。分析受热部位和与发热部位接触的部位的热传递情况，可以评估材料的隔热性和保温性。

预测由温度变化引起的应力。塑料的线性膨胀系数比金属高，更容易受到热应力的影响。组合具有不同线性膨胀系数的材料时必须特别小心。也可以执行耦合分析，其中温度分布在传热分析中获得，并用作应力分析中的边界条件。热传导分析和热应力分析可以用上面提到的大多数应力分析软件进行计算。

热流体分析/计算流体动力学 (CFD)

预测流体（例如液体和气体）如何流入和流出物体。对于实际产生热量的产品，热量不仅在固体内部传递，还会通过载热流体（空气、油等）传递到其他部分。这种现象无法通过热传导分析来分析，因此使用了热流体分析/计算流体动力学（CFD）。此外，即使零件具有复杂的形状，热流体分析/计算流体动力学（CFD）也是有效的，因为导热系数和温度分布会因周围空气的对流而发生变化。

代表性软件包括 Altair 的“AcuSolve”、Ansys 的“ANSYS Fluent”、西门子软件的“STAR-CCM+”和 Convergent Science 的“Converge”。

计算物体的本征频率和本征模态形状。固有频率是物体（振动系统）自由振动时每秒振动的次数。本征模态形状是以本征频率振动时的振动形状（变形）。如果物体产生共振，可能会发生损坏或噪音。共振是一种现象，其中通过接收与物体的固有频率相同的外部振动来大大放大振动。可以通过固有频率分析找到可能发生共振的频率，并用于设计不会引起共振的结构。

模拟物体受激时产生的位移和应力。发生共振时，可以获得产生的振幅和应力的大小，可以确认共振对策的效果。

特征值分析（特征频率分析）和（频率）响应分析的典型软件有Dassault Systèmes的“Abaqus”、Siemens Software的“NX Nastran”和Ansys的“LS-DYNA”。

预测重复加载时发生故障的次数。当负载反复施加到物体上时，即使小于其静态强度的应力也可能导致其失效。这称为疲劳失效，可以使用 SN 曲线进行评估。可以在创建实际样本和执行耐久性测试之前执行模拟，从而缩短开发时间。

预测一定时间后的蠕变变形量。塑料由于其粘性特性而受到蠕变载荷的影响很大，因此采取了提前进行模拟的对策。它还用于焊点的寿命预测。

预测一定时间后的应力值，应力松弛是由于塑料的粘弹性特性而发生的现象。设计用螺钉或螺栓固定的零件，或使用故意变形产生的反作用力的产品（例如弹簧）时必须小心。与蠕变不同，从外部看不到变化，因此预先分析可以防止质量问题。循环疲劳分析、蠕变分析和应力松弛分析的典型软件有 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”和 Ansys 的“LS-DYNA”。

它模拟物体碰撞或坠落时的时程应力、应变、位移、加速度等。当物体受到冲击时，会产生比静态应力值大很多倍的应力，从而导致损坏等问题。此外，还可以进行考虑材料特有的动态特性（应变率依赖性、粘弹性效应）的评估。应变率依赖性是树脂的一种特性，材料特性会根据变形率发生很大变化。还可用于假定汽车等的碰撞速度的试验。典型的软件有Ansys的“LS-DYNA”、ESI的“PAM-CRASH”、Altair的“Radioss”。

Topology优化分析是通过给出产品使用场景中假定的结构约束、载荷和约束条件来计算最佳形状的系统。

生成人类无法想象的高度新颖的形状，导致产品设计不受现有形状的限制。可以说，随着3D打印机等生产加工技术的进步，它是未来会越来越受到关注的一项技术。

代表软件有Altair的“OptiStruct”和Dassault Systèmes的“TOSCA”。

分析和可视化与声音产生和传播相关的各种声学现象。除了提高扬声器等音频设备的音质外，还可以在设计中反映出针对发动机和风扇等工业产品发出的噪音等令人不快的声音的措施。这种分析对于开发具有出色声学特性的产品和要求安静的产品是必不可少的。

代表软件有Hexagon的“Actran”和Dassault Systèmes的“Abaqus”。

在使用有限元法的常规分析中，对单个零件进行评估。但是，对于由多个部件组合而成的产品，需要将部件作为一个集合进行分析。在多体动力学分析中，可以预测与其他部分的关节力和作用力的影响，并模拟进一步运动所作用的力。

它用于评估多个部件错综复杂地连接在一起的机械系统，例如汽车和工业设备。典型的软件是Dassault Systèmes的“Simpack”和Hexagon的“Adams”。

在设计玻璃纤维与树脂混合的增强等级时，必须考虑纤维取向。这是因为纤维的取向是沿着树脂的流动方向决定的，导致收缩不均匀和翘曲，以及强度和方向较弱的区域。通过映射注塑成型模拟结果中的纤维方向和取向信息并将其传输到另一个分析软件，可以提高应力分析的准确性。具有代表性的软件是Hexagon 的“Digimat”。

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