先進(jìn)復(fù)合材料的CAE虛擬技術(shù)

先進(jìn)復(fù)合材料的CAE虛擬技術(shù)(CAEVirtualTechnologyforAdvaneedComposites)益小蘇李宏運(yùn)航空制造技術(shù)國際先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)目前的發(fā)展更傾向于利用虛擬的設(shè)計(jì) -制造-驗(yàn)證一體化環(huán)境，將真實(shí)的設(shè)計(jì)、制造、材料、驗(yàn)證、應(yīng)用乃至維修和全壽命管理等諸多環(huán)節(jié)統(tǒng)一起來，從而最大限度地縮短新品研制周期， 降低研制成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力已成為國防工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的核心之一。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)起源于國防領(lǐng)域，

在這個(gè)過程中，CAE技術(shù)同樣，計(jì)算機(jī)輔助工程(ComputerAidedEngineering CAE)技術(shù)也起源于國防領(lǐng)域。在我國，航空先進(jìn)復(fù)合材30CAECAE技術(shù)有著天然的內(nèi)在聯(lián)系，事實(shí)上，它們之間的本質(zhì)聯(lián)系就是材料工程數(shù)據(jù)體系。先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀平和應(yīng)用程度是一個(gè)國家科技發(fā)展水平的代表，

在一定程度上，先進(jìn)復(fù)合材料的研究水特別是在飛機(jī)制造業(yè)，各種先進(jìn)的飛機(jī)無不與先進(jìn)的材料技術(shù)緊密聯(lián)系在一起。 以武裝直升機(jī)為例，復(fù)合材料在先進(jìn)武裝直升機(jī)上的用量已高達(dá)50%(重量比)左右，復(fù)合材料應(yīng)用的部位已從整流罩、地板、整體壁板等次承力結(jié)構(gòu)向旋翼、框梁等主承力結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，其典型代表有 NH-90、波音-360、V-22、RAH-66等機(jī)型。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用比例的加大， 在復(fù)合材料制造領(lǐng)域，先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技和計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)等得到了廣泛應(yīng)用。鋪層、下料、浸漬、成型、固化等工序的模擬技術(shù)和CAD/CAM/CAE技術(shù)的運(yùn)用，大大降低了開發(fā)制造成本，提高了開發(fā)和制造效率。如今復(fù)合材料的制造技術(shù)正朝著自動(dòng)化、低成本、整體化、數(shù)字化的方向發(fā)展。在我國，復(fù)合材料技術(shù)還沒有達(dá)到數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造的程度。 目前，我國國防工業(yè)復(fù)合材料產(chǎn)品的生產(chǎn)主要采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，

與國外先進(jìn)水平有很大的差距，

而其中一個(gè)很重要的原因是缺乏成熟的數(shù)字化工程環(huán)境的支持。 事實(shí)上，國外的研究和應(yīng)用成果已經(jīng)表明，在復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造過程中，

不僅要采用單項(xiàng)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，

而且要建立集成的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造環(huán)境，分別從計(jì)算機(jī)軟、硬件和先進(jìn)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造技術(shù)角度出發(fā)，融合所有設(shè)計(jì)和制造的數(shù)字化過程，材料構(gòu)件設(shè)計(jì)到最終交付的順暢傳遞。

打通復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)從復(fù)國際先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)目前的發(fā)展更傾向于利用虛擬的設(shè)計(jì)-制造-驗(yàn)證一體化環(huán)境，將真實(shí)的設(shè)計(jì)、制造、材料、驗(yàn)證、應(yīng)用乃至維修和全壽命管理等諸多環(huán)節(jié)統(tǒng)一起來，從而最大限度地縮短新品研制周期， 降低研制成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在這個(gè)過程中，CAE的核心之一。先進(jìn)復(fù)合材料數(shù)據(jù)技術(shù)與體系要想應(yīng)用CAE技術(shù)提升我國先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)條件和重要前提是研究、發(fā)展

制造技術(shù)和建立與此相適應(yīng)的復(fù)合材料數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)體系。復(fù)合材料數(shù)據(jù)體系建設(shè)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)是科技創(chuàng)新的重要源泉?；A(chǔ)性科學(xué)數(shù)據(jù)作為科技活動(dòng)發(fā)展的基礎(chǔ)和成果， 是科學(xué)技術(shù)滾動(dòng)發(fā)展的平臺(tái)。一個(gè)好的科學(xué)思想、理論假說和應(yīng)用技術(shù)，必須在掌握大量前人資料和科學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上才能形成，

同時(shí)也必須在大量相關(guān)數(shù)據(jù)的支撐下才能被證實(shí)。

對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的綜合分析，

進(jìn)而促進(jìn)新的科學(xué)思維的產(chǎn)生，

是實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的重要方式， 也有利于推動(dòng)交叉學(xué)科的發(fā)展。 特別是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展明顯呈現(xiàn)出大科學(xué)、 定量化和注重過程研究等特點(diǎn)，越來越依賴于系統(tǒng)的、高可信度的基本科學(xué)數(shù)據(jù)及其衍生的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。 科學(xué)研究工作本身也就是科學(xué)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程。在材料應(yīng)用研究工作中，包括先進(jìn)復(fù)合材料在內(nèi)，材料數(shù)據(jù)作為現(xiàn)有研究成果的體現(xiàn)和未來研究工作的依資源還沒有得到應(yīng)有的重視、開發(fā)和利用。

但是，材料數(shù)據(jù)本身作為一種先進(jìn)國家的國家級(jí)材料數(shù)據(jù)管理體系和運(yùn)行模式先進(jìn)國家非常重視材料數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)。 到目前為止，在美國國防部國防技術(shù)信息中心（DTIC）的領(lǐng)導(dǎo)下，美國已建立了13個(gè)國家級(jí)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，形成了龐大的國防工業(yè)數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用體系，為美國國防工業(yè)保持世界領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展立下汗馬功勞。分析美國在材料數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用技術(shù)方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)出以下 3個(gè)重要啟示：（1）由政府及國防部積極推動(dòng)和資助，由 AMPTIAC這樣的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)作和管成為主要手段，實(shí)現(xiàn)了跨時(shí)間、跨地域的數(shù)據(jù)共享。（2）材料數(shù)據(jù)管理范圍涵蓋了金屬及金屬基復(fù)合材料，

陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料，高分子結(jié)構(gòu)及高分子基復(fù)合材料， 電子、光學(xué)及光電子材料，環(huán)境保護(hù)及特殊功能材料等五大類；既有處于試驗(yàn)和開發(fā)階段的材料數(shù)據(jù)，也含有許多已知、成熟、有價(jià)值的材料信息。（3）由材料和信息技術(shù)2方面專家合作進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、評(píng)估、包裝、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施、數(shù)據(jù)庫開發(fā)等工作。注重服務(wù)，服務(wù)范圍包括技術(shù)咨詢、調(diào)查、培訓(xùn)，相關(guān)材料技術(shù)報(bào)告的匯編、出版和發(fā)行等。我國有關(guān)工程材料數(shù)據(jù)庫的歷史經(jīng)驗(yàn)我國國防工業(yè)也曾研究建立過各種材料數(shù)據(jù)庫，作為一個(gè)獨(dú)立的課題或一個(gè)單位內(nèi)部的科研項(xiàng)目，

有過一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。首先，常把建設(shè)數(shù)據(jù)庫沒有面向用戶、面向市場(chǎng)，也沒有考慮商業(yè)化的運(yùn)作，因此市場(chǎng)和用戶的認(rèn)知度低，難于推廣。其次，由于認(rèn)識(shí)的水平、數(shù)據(jù)的質(zhì)量還不夠高，致使低質(zhì)量或無用的數(shù)據(jù)壓庫， 數(shù)據(jù)庫不能發(fā)揮效益。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)也沒有充分利用IT行業(yè)的發(fā)展成果，數(shù)據(jù)庫本身的技術(shù)水平低，網(wǎng)絡(luò)化水平低，因此數(shù)據(jù)庫的服務(wù)功能弱、壽命復(fù)合材料數(shù)據(jù)的特殊性根據(jù)美國軍用復(fù)合材料手冊(cè)（MIL-HDBK-17F），先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)和復(fù)合材料數(shù)據(jù)的特點(diǎn)包括：復(fù)合材料包括基體和增強(qiáng)材料，性能表征必須從組分開始。時(shí)復(fù)合材料還有很多特殊的性能表征要求，特別是濕熱和抗沖擊性能。復(fù)合材料是可設(shè)計(jì)材料（不同比例、不同纖維方向的鋪層性能表征非常復(fù)雜。

，其基本結(jié)構(gòu)元素——層壓板的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與材料同步形成，材料和工藝的變異性對(duì)材料（同時(shí)也是結(jié)構(gòu)）數(shù)量遠(yuǎn)超過金屬。表征的標(biāo)準(zhǔn)化外，針對(duì)材料篩選、材料取證、材料驗(yàn)收、材料等同性和結(jié)構(gòu)證實(shí)等分別給出試驗(yàn)矩陣。MIL-HDBK-17F復(fù)合材料測(cè)試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)體系建立復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫，復(fù)合材料測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)必須先行。由于復(fù)合材料性能測(cè)試和表征是復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)研制與生產(chǎn)的重要組成部分， 如此復(fù)雜多標(biāo)準(zhǔn)化包含2方面內(nèi)容，即性能測(cè)試的范圍和方法（包括試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)量及數(shù)據(jù)處理方法等）以及針對(duì)不同應(yīng)用情況建議的試驗(yàn)矩陣。MIL-HDBK-17FASTMD30MIL-HDBK-17F仍在執(zhí)行1983年制訂的標(biāo)準(zhǔn)，MIL-HDBK-17F的多種新方法比國內(nèi)目前現(xiàn)在使用的方法好得多。（1）復(fù)合材料是各向異性材料，具有可設(shè)計(jì)性，樹脂含量、（）結(jié)構(gòu)完整性及其穩(wěn)定性的影響。復(fù)合材料制件在成型零件的同時(shí)也完成材料制造的工藝特點(diǎn)，決定了復(fù)合材料制件制造時(shí)必須同時(shí)考設(shè)計(jì)、材料、工藝、制造、檢測(cè) /無損檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等綜合因素。復(fù)合常多。因此，復(fù)合材料制件的工程化應(yīng)用是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，迫切需要綜合應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的CAD、CAE、CAM、CAPP和數(shù)字化的數(shù)據(jù)庫技術(shù)等進(jìn)行統(tǒng)籌管理。復(fù)合材料制件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫建設(shè)與知識(shí)管理系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)庫的核心是優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)和高效的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用，而優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)來源于對(duì)材料的測(cè)試、分析和模型化工作，涉及大量的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，即便是照搬MIL-HDBK-17F，要從上千頁的手冊(cè)里找到合適的方法和技術(shù)也是一件簡(jiǎn)單的事，同時(shí)還需要進(jìn)行大量的 “What-If”分析和多方法或技術(shù)的平衡和優(yōu)化，因此，就產(chǎn)生了對(duì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行管理和開發(fā)利用的問題。這個(gè)技術(shù)在國際上亦具有前瞻性。中，經(jīng)數(shù)據(jù)挖掘、總結(jié)、抽取和管理技術(shù)，形成一個(gè)數(shù)字化、基于數(shù)據(jù)庫的知識(shí)庫。

PLM下的知識(shí)定義技術(shù)、復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)庫建設(shè)先進(jìn)復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)技術(shù)體系建設(shè)是復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)， 也是我國目前存在的重大技術(shù)瓶頸之一，其中蘊(yùn)藏著技術(shù)創(chuàng)新的大好機(jī)遇。根據(jù)國防科工委的發(fā)展戰(zhàn) “強(qiáng)化基礎(chǔ)、提高能略，一個(gè)符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)先進(jìn)、面向用戶的先進(jìn)復(fù)合材料工程數(shù)CAE續(xù)發(fā)展。這個(gè)復(fù)合材料工程數(shù)字化協(xié)同研制平臺(tái)的核心是一個(gè)復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)庫（CompositesEngineeringDataBase，CEDBase），這個(gè)庫下面包含“材料性能數(shù)據(jù)庫”、“材料設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫”、“材料制造數(shù)據(jù)6（）（增強(qiáng)材料、基體材料、預(yù)浸料、芯材、面板材料、復(fù)合材料等）化學(xué)和力學(xué)性能，通過單點(diǎn)數(shù)據(jù)、表格、曲線、圖像等形式，給出相應(yīng)的材料性能譜。這個(gè)復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋主要的材料品種，覆蓋從應(yīng)力

-應(yīng)變曲線到流變、從R&DISO17025ISO17025數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，而無須為了適合軟件需要而進(jìn)行單位換算，也不用針對(duì)各種應(yīng)用而專門進(jìn)行數(shù)據(jù)后Excel、CAE、MatMLMatlab等多種格式，允許特定先進(jìn)復(fù)合材料CAE技術(shù)應(yīng)用案例先進(jìn)復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫與 CAE技術(shù)系統(tǒng)具有辨證統(tǒng)一的內(nèi)在聯(lián)系。CAE技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)由模擬量設(shè)計(jì)、真實(shí)設(shè)計(jì)、制造同步發(fā)展的創(chuàng)新模式，帶動(dòng)我國國防復(fù)合材料技術(shù)的科技進(jìn)步與跨越式發(fā)展。一個(gè)典型的復(fù)合材料制件研制的物理流程既包括傳統(tǒng)的預(yù)浸料成型制造，也包括先進(jìn)的樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）成型制造過程，其中， RTM技術(shù)被認(rèn)為是低成本復(fù)合材料的重要技術(shù)之一，美國政府將RTM技術(shù)列入了其先進(jìn)復(fù)合材料計(jì)劃，并組織開展了大量的研究工作，同時(shí)，民用復(fù)合材料界在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期和環(huán)保新要求的壓力下也出現(xiàn)了

RTM研究和應(yīng)用的熱潮。目前，RTM技術(shù)已經(jīng)在航空航天、基礎(chǔ)設(shè)施、汽車工業(yè)和軍事工業(yè)中獲得了較廣泛的應(yīng)用。以船用全復(fù)合材料螺旋槳推進(jìn)器的研制為例，介紹在先進(jìn)復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)環(huán)境下的 CAE應(yīng)用技術(shù)，用到的CAE數(shù)模軟件環(huán)境鏈將先于物理研制進(jìn)行復(fù)合材料制件的數(shù)字化建模和虛擬設(shè)計(jì)分析，虛擬樣機(jī)及其產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性能的分析（通常是一個(gè)縮比件或模型制件）以及虛擬制造，這通常是1:1制件的工藝模擬和產(chǎn)物分析等。首先，以模型縮比的船用螺旋槳推進(jìn)葉片的外形幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 進(jìn)行復(fù)合材料單個(gè)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)力-應(yīng)變分析。這個(gè)分析可以直接從數(shù)據(jù)庫里選材，進(jìn)行性能比較，同時(shí)進(jìn)行有限元建模和析，確定葉片的碳纖維鋪層結(jié)構(gòu)（應(yīng)用 LAMINATE-ADVISOR），最后，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果選擇織物和樹脂，確定模型復(fù)合材料構(gòu)件的纖