ESAComp復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專用軟件

1、ESAComp復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專用軟件Markku Palanters,Componeering公司，芬蘭，赫爾辛基CAEDA編譯簡(jiǎn)介：復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)過程存在著同傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的階段。例如，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有許多種可能的材料組合，而且，材料的各向異性力學(xué)行為在設(shè)計(jì)階段是能通過選擇特定的纖維方向和疊層次序就確定了的。雖然有限元程序能夠用來對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行分析，但是卻不能夠涵蓋所有涉及復(fù)合材料具體設(shè)計(jì)和分析方面。因此，還需要專業(yè)化的復(fù)合材料設(shè)計(jì)工具來對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。一些比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，如本文中涉及的ESAComp軟件，同有限元軟件包結(jié)合起來，組成了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的整個(gè)部

2、分。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，層合板，夾層結(jié)構(gòu)，分析，設(shè)計(jì)，軟件，ESAComp 1.復(fù)合材料的設(shè)計(jì)需要軟件工具在很多方面，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都存在著差異。在設(shè)計(jì)階段纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能就已經(jīng)被確定下來。通過選擇不同的材料、鋪層角和疊層次序可以無限設(shè)計(jì)出具有不同力學(xué)性能特征的復(fù)合材料來。要充分利用復(fù)合材料優(yōu)異的比剛度、比強(qiáng)度就需要非常強(qiáng)調(diào)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)工作。通過使用各向異性殼單元，所有的主流有限元軟件對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析都提供了很大的幫助。但是，在復(fù)合材料的初始設(shè)計(jì)階段對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的起始準(zhǔn)備工作，包括材料種類的選擇、層合和夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以

3、及層合板鋪層方式設(shè)計(jì)，有限元軟件的實(shí)用性不大。當(dāng)在層合板結(jié)構(gòu)的不同層的級(jí)別上來對(duì)復(fù)合材料行為進(jìn)行細(xì)節(jié)研究時(shí)，有限元軟件包提供的后處理能力尤其有限。這也再次說明了專業(yè)復(fù)合材料分析工具的必要性。從文件輸入輸出的內(nèi)部代碼方式到電子數(shù)據(jù)表格的應(yīng)用和完全交互式視窗程序，許多的軟件工具被開發(fā)出來對(duì)層合板進(jìn)行分析。當(dāng)前一些比較高級(jí)的軟件工具已經(jīng)從基本的層合板分析發(fā)展到了對(duì)類似梁、板和夾層面板中復(fù)合材料層板的連接等這樣的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析。一些層合板分析工具可以為商用的有限元軟件提供界面。本篇文章的基礎(chǔ)是在開發(fā)ESAComp軟件過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)。接下來的章節(jié)中，將ESAComp軟件作為先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件中的一

4、個(gè)典型，對(duì)其所具有的設(shè)計(jì)能力進(jìn)行介紹。并在最后部分討論了復(fù)合材料設(shè)計(jì)工具同有限元程序的系統(tǒng)問題。2.ESAComp軟件2.1背景ESAComp軟件作為歐洲航天局(European Space Agency,ESA)的一個(gè)資助項(xiàng)目在1992年開始運(yùn)行。該課題的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一界面下可以包括所有必需的層合板分析、設(shè)計(jì)能力的軟件工具。該軟件系統(tǒng)同樣也應(yīng)該能夠被終端用戶進(jìn)行擴(kuò)展來滿足在基本系統(tǒng)中不能夠預(yù)見或者包括的某些特殊需要。它的最終目的是推出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具來取代許多被航空航天公司使用的內(nèi)部代碼軟件。ESAComp軟件的最初開發(fā)工作在赫爾辛基技術(shù)大學(xué)的輕型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。2000年，Compone

5、ering公司接管負(fù)責(zé)ESAComp軟件的進(jìn)一步開發(fā)和維護(hù)，并成為該軟件的商業(yè)發(fā)行商，歐洲太空宇航局繼續(xù)對(duì)該軟件中航空航天工業(yè)所關(guān)注的設(shè)計(jì)能力的開發(fā)工作進(jìn)行資助。EASComp軟件起初開發(fā)了針對(duì)微軟Windows和Unix/X兩種系統(tǒng)平臺(tái)的軟件工具，但是目前該軟件僅支持微軟Windows系統(tǒng)，ESAComp軟件的Linux操作系統(tǒng)版本將在2003年發(fā)布。由于具有歐洲航天局的背景，歐洲航空航天公司最早采用了EASComp軟件(圖1)。一些研究院所和大學(xué)也是該軟件的主要用戶。EASComp軟件被開發(fā)為一個(gè)通用工具以來，也增加了一些其他工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)使用到高性能復(fù)合材料的新客戶(圖2)。圖1 ESACo

6、mp軟件支持設(shè)計(jì)的圖2 FY-Composites Oy設(shè)計(jì)和生Ariane 5復(fù)合材料整流罩T-2000氣墊船的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(照片來源：ESA)(來源：芬蘭海軍)2.數(shù)據(jù)庫(kù)EASComp軟件具有用來存儲(chǔ)有關(guān)材料性能(纖維，樹脂材料，單層)、層合板、結(jié)構(gòu)單元(梁橫截面，板，機(jī)械和膠接接頭)以及載荷工況的數(shù)據(jù)庫(kù)。在這里，單層(Ply)是一個(gè)用來形成層合板的通用材料術(shù)語(yǔ)。單層可以進(jìn)一步被劃分為增強(qiáng)層、均質(zhì)層以及芯層(均質(zhì)或者蜂窩芯)。該信息的必要性在于，定義于某一種單層方式上的部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容同另外一種單層方式是不同的。某些分析也同單層的屬性相適應(yīng)。根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，單層可以被劃分為正交各向異性、橫

7、觀各向異性以及各向同性，這樣就最小化了用戶所必須給出的數(shù)據(jù)量。對(duì)層的定義包括：質(zhì)量數(shù)據(jù)(體積密度，面密度)，力學(xué)性能(模量，泊松比，濕脹和熱脹熱系數(shù)，強(qiáng)度)，工藝數(shù)據(jù)(不同加工技術(shù)的適用性，固化溫度和壓力)以及產(chǎn)品參考數(shù)據(jù)(生產(chǎn)商和價(jià)格)等。層合板(Laminate)是由給定疊層次序的層通過給定層鋪層角(層坐標(biāo)系統(tǒng)同相應(yīng)的層合板坐標(biāo)系統(tǒng)之間的夾角)的方式來組合形成的。如果沒有定義單層厚度，在這里還可以對(duì)單層進(jìn)行厚度定義。EASComp軟件將夾層結(jié)構(gòu)作為一種特殊的層合板情況來進(jìn)行處理。系統(tǒng)自動(dòng)將由芯部材料分開的實(shí)體面板作為夾層結(jié)構(gòu)處理并進(jìn)行相應(yīng)的有關(guān)分析。EASComp軟件可以通過幾種方式來對(duì)層

8、合板進(jìn)行定義，包括子層倍增的表格形式或者定義層合板的對(duì)稱或者反對(duì)稱特性。在EASComp中同樣可以通過對(duì)選定層給出待定鋪層角或者定義選定層的待定厚度比例作為參數(shù)來定義層合板。在ESAComp軟件中，通過選擇梁截面、板和膠接接頭或機(jī)械接頭所包含的層以及進(jìn)一步給出所必需的數(shù)據(jù)設(shè)置(如尺寸)來形成結(jié)構(gòu)單元。在ESAComp中，一組結(jié)構(gòu)單元的設(shè)置被稱作一種項(xiàng)目(Case)，該項(xiàng)目代表了一種典型的設(shè)計(jì)/研究方案。在一個(gè)項(xiàng)目中，相關(guān)材料、單層、層合板以及結(jié)構(gòu)單元的變化相互關(guān)聯(lián)。例如，單層性能的變化影響了所有使用該層的層合板，并進(jìn)一步影響到了所有使用該層板的所有梁結(jié)構(gòu)。ESAComp數(shù)據(jù)庫(kù)被劃分為三種級(jí)別：

9、用戶水平，企業(yè)共享數(shù)據(jù)的水平和包含了當(dāng)前所使用的通用復(fù)合材料材料數(shù)據(jù)的ESAComp數(shù)據(jù)銀行，該數(shù)據(jù)銀行數(shù)據(jù)庫(kù)從材料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表格和其他公開資料中收集數(shù)據(jù)。2.3分析能力微觀力學(xué)分析允許在材料組分、纖維和基體材料的基礎(chǔ)上來預(yù)測(cè)復(fù)合材料的力學(xué)行為。這些分析可以用來研究纖維含量對(duì)復(fù)合材料單層力學(xué)性能的影響，并為初期的設(shè)計(jì)考慮生成數(shù)據(jù)。一般的微觀力學(xué)關(guān)系在精確模擬復(fù)合材料行為時(shí)有很多缺陷，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，需要使用更可靠的單層的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。ESAComp提供了基體的混合率公式來預(yù)測(cè)工程常數(shù)和各種膨脹系數(shù)。而且，用戶還可以定義專門的微觀力學(xué)分析模型。經(jīng)典層合板理論(Classical l

10、aminate Theory,CLT)組成了層合板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析基礎(chǔ)，而且是ESAComp軟件中大多數(shù)分析的基礎(chǔ)。在ESAComp軟件的層合板2.5D行為分析中，層合板本構(gòu)關(guān)系用工程常數(shù)和剛度/柔度矩陣表示。在該軟件中，可以使用濕熱膨脹系數(shù)，并且可以使用耦合系數(shù)來描述非對(duì)稱層合板的復(fù)雜行為。層合板載荷響應(yīng)分析允許在層合板級(jí)別上來研究層合板的響應(yīng)(相應(yīng)應(yīng)力、力矩、應(yīng)變)也可以在每一單層的級(jí)別上來研究(材料和層合板坐標(biāo)系統(tǒng)下的應(yīng)力、應(yīng)變)。載荷工況可以定義為力和力矩，正則應(yīng)力或應(yīng)變以及耦合。當(dāng)涉及到濕熱載荷時(shí)，系統(tǒng)給出了這些內(nèi)部載荷在層合板不同層上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。圖3.可以在不同的坐標(biāo)系統(tǒng)下來

11、研究層合板單層的應(yīng)力或應(yīng)變對(duì)于基于單層的層合板載荷響應(yīng)，可以使用首層失效方法(First Ply Failure,FPF)。該理論假定復(fù)合材料層合板的失效行為首先發(fā)生在層合板中最先到達(dá)失效臨界值的單層上。由于層合板內(nèi)的多軸應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，需要使用幾個(gè)失效準(zhǔn)則來進(jìn)行分析。復(fù)合材料具有許多可用失效準(zhǔn)則，除了幾個(gè)ESAComp內(nèi)部提供的常用失效判據(jù)外，用戶可以定義自己的失效準(zhǔn)則，ESAComp用安全裕度系數(shù)或安全系數(shù)的形式給出了結(jié)構(gòu)的失效包線，很清楚地說明了載荷還可以增加多少或者必須減少多少。程序還給出了包括單層可能失效模式等其它參考信息。在分析夾層層板時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)考慮面板的屈曲失效和芯材的剪切失效

12、。層合板的最終承載標(biāo)準(zhǔn)可以由層合板逐層失效分析(Degraded Laminate Failure,DLF)來預(yù)測(cè)。該分析方法假定基體材料的失效裂紋沿著層板擴(kuò)展，并在各層之間重新進(jìn)行應(yīng)力分配。ESAComp的層合板分析同樣包括了材料性能和鋪層方向的敏感性分析；具有圓孔和橢圓孔的層合板孔板分析；復(fù)合材料在給定環(huán)境歷史下的吸濕計(jì)算以及層合板三維有限元分析時(shí)的自由邊效應(yīng)。ESAComp板分析考慮的是一個(gè)用戶指定四邊約束支撐情況(固定、簡(jiǎn)支或自由邊)的帶加強(qiáng)筋矩形板問題，加強(qiáng)筋形式包括T型、工型、C型以及Z型等多種形式。在橫向載荷分析中，可以施加點(diǎn)載荷、壓力及線載荷，分析結(jié)果包括板的變形、失效裕度以及

13、板整個(gè)面積上的可能失效形式；可以定義板的面內(nèi)載荷來進(jìn)行屈曲分析；也可以確定板的第一固頻。ESAComp板分析使用內(nèi)嵌的有限元求解器中的Mindlin板單元來對(duì)板進(jìn)行求解。尤其是在夾層板中起主要作用的面外剪切變形也都加以考慮。ESAComp程序的梁分析能力同板分析能力相似?？梢蕴幚淼牧航孛骖愋桶▽雍习?夾層板，圓形、橢圓形、矩形和工形等橫截面。ESAComp程序的膠接和機(jī)械連接分析可以預(yù)測(cè)連接處的載荷分布以及預(yù)測(cè)連接的承載能力。尤其其膠接分析十分先進(jìn)，它允許許多類型的載荷和邊界條件組合以及用非線性本構(gòu)模型的粘膠建模。2.4設(shè)計(jì)能力層合板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常是對(duì)不同材質(zhì)、層厚度和鋪層方式的組合進(jìn)行試選

14、找到合適的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。雖然材質(zhì)組合和層合板鋪層方式有無限多種可能，但是實(shí)際考慮通常局限在設(shè)計(jì)空間的范圍之內(nèi)。例如，設(shè)計(jì)人員可以限制鋪層角為0，45，90度，因?yàn)閺纳a(chǎn)加工的觀點(diǎn)來說，這是最佳選擇而且往往產(chǎn)生接近于最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。因此，設(shè)計(jì)的任務(wù)局限為從一些材料備選方案中選擇材料并確定每層厚度以及不同方向?qū)拥谋壤SAComp程序分析同數(shù)據(jù)銀行以及許多結(jié)果數(shù)據(jù)估計(jì)的方法一起支持該種類型的交互式設(shè)計(jì)方法(圖4)。圖4 ESAComp可以用來比較備選層合板設(shè)計(jì)方案的圖形結(jié)果顯示ESAComp軟件中也包括針對(duì)層合板設(shè)計(jì)的被稱作設(shè)計(jì)工具的更嚴(yán)格方法。它們是相逆的問題求解器，對(duì)用戶所定義的設(shè)計(jì)問題尋找一個(gè)

15、答案。設(shè)計(jì)目標(biāo)通過對(duì)某個(gè)層合板的重要設(shè)計(jì)屬性的約束和目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)說明來定義。層合板評(píng)估工具在被選層合板中間搜索滿足具體約束的層合板，該評(píng)估工具還會(huì)進(jìn)一步評(píng)估可用層合板對(duì)約束條件的滿足程度并對(duì)它們按級(jí)別排序。層合板的生成工具從用戶選擇的層中生成滿足具體約束的層合板并盡可能滿足設(shè)計(jì)屬性的目標(biāo)和權(quán)函數(shù)確定的全面目標(biāo)。3同有限元軟件結(jié)合使用的層合板分析工具3.1有限元軟件的局限盡管在層合板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中大量使用有限元程序，但是它們?cè)趯雍辖Y(jié)構(gòu)的結(jié)果后處理中存在著不足。例如，在層合板層的級(jí)別上來查看應(yīng)力、應(yīng)變的分布十分困難。對(duì)于復(fù)合材料的失效分析，有限元軟件包提供的可選失效標(biāo)準(zhǔn)非常有限而且忽略了像夾層

16、板面屈曲這樣的具體失效模式。在評(píng)價(jià)層合板的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，有限元程序通常不考慮可能的內(nèi)部載荷。復(fù)合材料概念設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行的的有限元分析要比金屬材料復(fù)雜得多，一般的有限元軟件很難滿足該階段的設(shè)計(jì)需求。3.2設(shè)計(jì)開發(fā)周期在對(duì)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析之前，必須有初始層合板設(shè)計(jì)。專業(yè)化的復(fù)合材料分析工具能夠有效地來設(shè)計(jì)這些層合板構(gòu)造。在進(jìn)行了第一輪的有限元分析之后，需要對(duì)層合板設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。同樣，在進(jìn)行下一輪整體有限元模型分析之前，層合板分析和設(shè)計(jì)工具可以用來有效地研究層合板鋪層方式的變化如何改變它們的性能。同時(shí)，還可以考慮有限元軟件所沒有考慮的失效模式問題。當(dāng)各種工具包之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)

17、傳輸時(shí)，將層合板分析工具同有限元軟件包一起使用變得更加合理，至少在某些程度上如此。圖5描述了ESAComp軟件是如何實(shí)現(xiàn)有限元軟件同層合板分析工具之間的交互作用的。層合板分析軟件結(jié)果分析和可視化FE前處理器FE求解器FE后處理器層合板定義；材料數(shù)據(jù)(同有限元模型相關(guān)選項(xiàng))FE文本格式輸出FE輸出剖析器FE結(jié)果設(shè)置FE輸入FE輸入有限元模型預(yù)選單元分析結(jié)果(數(shù)字形式)交互式選擇單元有限元輸出圖5層合板分析軟件作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期中的一部分3.3同有限元軟件的匹配性問題當(dāng)使用層合板分析軟件對(duì)有限元分析進(jìn)行后處理時(shí)，很重要的一點(diǎn)時(shí)，有限元中單元的定義要同層合板分析中假設(shè)相一致。一般來說，這個(gè)問題

18、不大，因?yàn)閷?duì)于層合板的面內(nèi)和彎曲行為，通用殼單元的一階剪切變形理論(First-Order Shear Deformation Theory,FSDT)或Mindlin板理論同經(jīng)典的層合板理論(Classical Lamination Theory)等效。經(jīng)典層合理論不能考慮面外剪切變形問題，但是由于在一階剪切變形理論中面外剪切變形同的面內(nèi)和彎曲行為并不耦合，因此并不矛盾。但是，必須注意到不同的有限元代碼處理面外剪切剛度的方式變化很大，而且對(duì)于何種為最佳方案沒有定論。當(dāng)在層合板分析工具同有限元軟件包之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，還需要考慮許多其它的問題。坐標(biāo)系統(tǒng)和層編號(hào)規(guī)則必須保持一致，否則就需要進(jìn)行相

19、應(yīng)轉(zhuǎn)換。同樣也需要考慮單位系統(tǒng)的匹配性問題。有限元程序可以在單元坐標(biāo)系統(tǒng)下也可以在材料坐標(biāo)系統(tǒng)下提供單元應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。但是對(duì)于層合板分析，必須在材料坐標(biāo)系統(tǒng)下輸入數(shù)據(jù)。3.4 ESAComp-有限元軟件交互界面ESAComp程序提供了同主流有限元軟件(ABAQUS,ANSYS,I-DEAS,MSC.Nastran和NISA)的雙向交互界面。見圖6。有限元輸出界面可以將ESAComp程序的層合板定義同相關(guān)材料數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)接邢拊绦蛑小€(gè)別有限元代碼支持文本文件格式來進(jìn)行文件傳輸。ESAComp支持有限元程序中的層殼單元。對(duì)于一些有限元軟件包，ESAComp同樣支持其使用普通的殼單元。在這種情況下，ESAComp程序輸出層合板剛度矩陣而不是材料數(shù)據(jù)和鋪層方式。有時(shí)使用有限元軟件的實(shí)體模型對(duì)層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行非常詳細(xì)地分析。對(duì)此，ESAComp軟件可以向有限元軟件輸出層材料數(shù)據(jù)這樣的數(shù)據(jù)。圖6針對(duì)ANSYS程序的ESAComp交互界面在ESAComp中，可以通過有限元輸入界面來進(jìn)行有限元程序的后處理。ESAComp程序讀取其支持的有限元軟件包生成的輸出文件。ESAComp程序輸入的數(shù)據(jù)