一文了解复合材料新型仿真软件

仿真是通过模型来模拟现实系统中发生的过程，其本质是将物理化学公式模型进行代码化表示，并借助计算机实现计算求解。仿真在离散制造和流程制造业中广泛使用，能够帮助工程师加速产品研发和测试，提高正向研发效率。

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。

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。

Laminate Tools 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构件从铺层设计到制造信息输出的完整流程。目前 Laminate Tools 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。AW189 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，基本可以覆盖复合材料整个 工艺设计流程。FiberSIM 软件将传统的复合材料制造过程中依赖模线-样板的传递方式转变为以数字量 为主导的传递方式，这也体现了并行工程的理念思想。目前该软件在西飞、成飞、沈飞等几大主机厂得到大量应用，并取得了满意的效果。

ESAComp 软件由欧洲航天局资助，最初由芬兰赫尔辛基大学于20世纪 90 年代开发，具有在初始设计 阶段指导材料种类选择、夹层结构设计、铺层方式设计的能力。该软件具有强大的衔接功能，提供了同多种主流 CAE 软件，如 ABAQUS、ANSYS、 MSC 以及 NASTRAN 等软件的接口，方便地为复合材料结构有限元分析提供准备，并能对有限元计算结果进行详细的后处理。其软件材料库中包含了上千种材料，不仅包含有航空航天材料，还包括许多其他工业级的常用材料。全球有超过 150 家公司和研究机构在使用该软件，包括空客、宝马以及西门子等企业。

CATIA CPD 也是常用的复合材料设计软件，该软件为用户提供了丰富的使用功能，包括铺层生成、复合材料分析、工程制图定义、制造模型定义、曲面转化以及可制造性分析等。波音公司在国内生产的波音 737、747、 787 系列飞机的翼身整流罩、内襟翼以及空客 A380的机身段、尾翼段以及襟副翼的设计与制造均采用 CATIA CPD 模块数字化设计制造完成。目前该软件在国内几大主机厂得到了广泛应用。

ESI集团是世界上领先的数值仿真软件供应商，其产品主要应用在产品的制造工艺仿真以及评价产品 在使用环境中的表现，通过不断减少 试验样机的数量，从而降低生产成本、缩短研制周期。通过与众多大学、 研究所及航空航天企业的合作，ESI公司开发了用于复合材料设计与制造工艺仿真的产品，包括 SYSPLY、 PAM-RTM、PAM-FORM、PAM[1]AUTOCLAVE、PAM-DISTORTION 等。

SYSPLY 是用于设计、分析和优化复合材料结构的专业软件，可以帮助工程师加速设计和验证复合材料构件，并可实现大部分建模过程的 自动化，完成各种静 / 动力学问题、 热力学问题、屈曲分析以及大变形问题的分析。利用 SYSPLY，设计人员在零件制造之初就掌握复合材料构件的力学特性。

PAM-RTM 软件可以针对树脂传递模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）工艺的树脂充模过程进行仿真，该软件几乎可以模拟所有的 RTM 工艺，并且操作简单、计算迅速。

PAM-FORM 可以处理层合板成型、纺织纤维成型以及塑料片材成型等过程的仿真，适用于预浸料、纺织物、纺纤维等材料的热成型、冲压成型以及滚压成型等。

PAM-AUTOCLAVE 软件和 PAM[1]DISTORTION 软件主要用于解决热压罐内空气流动、传热以及预浸料的固化、回弹等问题，利用该软件可以优化工装结构及固化工艺参数，有效降低产品试验次数。

目前 ESI公司的复合材料软件已在空客、波音、成飞等飞机制造厂商得到了广泛应用。CMT 公司的 COMPRO 软件为用户提供了使用“虚拟制造”方法来实现对复合材料构件成型过程的仿真，可以实现热化学-树脂流动 -化应力的综合模拟，用以评估工艺参 数及结构设计对产品质量的影响。CMT 公司与波音公司进行了密切合 作，目前该软件已成功应用在波音 747、767 和 777 飞机的研制中。

RTM-Worx 仿真软件是荷兰 Polyworx 公司研发的用于模注工艺流动仿真软件，该软件经过 20 年的 发展，其操作更为简单、计算更为快捷、功能更为强大，为只具备 RTM 工 艺知识而未经有限元方法专业培训的工程师提供了方便。与其他 RTM 软件相比，该软件可将一维线单元、 二维壳单元和三维四面体单元混合使用，且所需的网格数量更少，求解速度更快。目前，该软件已在航空、军工、建筑等行业的复合材料设计制 造领域得到了广泛应用，如在 NH90 直升机起落架、飞机复合材料翼盒等 零件的制造中就使用了该软件。

CADWIND 是由 MATERIAL 公司专门为复合材料纤维缠绕工艺所开发的仿真软件。相比于其他纤维缠绕软件，该软件界面友好，完全图形化，可实现缠绕线型生成和纤维缠绕过程的三维动态仿真，且具备2轴 至6轴缠绕机的缠绕仿真和加工程 序输出。该软件同样具有与主流有 限元软件相结合的接口，从而进行结构的力学分析。将该软件集成到复 合材料虚拟制造系统中，工程人员就可以在远离缠绕机的情况下完成对缠绕工艺参数的优化。

随着复合材料在各个领域应用比重的增大以及设计制造一体化要求的提出，针对复合材料构件制造过程中各种问题的研究已成为复合材料研究热点之一。采用数值模拟的方法针对复合材料制造过程进行仿真分析是降低复合材料构件制造成本、缩短研制周期的有效途径。随着国内制造企业对于虚拟仿真技术的重视以及人才培养力度的加大，仿真技术今后必将在复合材料领域发挥更大作用。目前 现有的复合材料仿真模型仍存在不足，如何完善仿真模型、提高模拟精度，使其能更加有效地应用到复合材料构件实际生产中是今后国内外学者需要研究的重点问题。

参考资料

[1]元振毅,王永军,蔡豫晋,等.复合材料制造过程仿真技术综述[J].航空制造技术,2017(04):47-53.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.04.047.