先進的復合材料分析軟件—Laminate Tools

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先進的復合材料分析軟件—Laminate Tools
CAEDA編譯
一、前言
復合材料擁有輕質高強、性能各向異性和結構可設計性等特點，在航空航天、汽車、船舶等領域的應用已越來越廣泛。但復合材料鋪層結構設計較為復雜，性能分散性大，工藝質量不夠穩定，這些問題和缺陷使復合材料的進一步推廣應用遇到了阻礙。為解決上述問題，多種結構、力學分析軟件及工藝模擬仿真軟件被開發、運用于復合材料的設計和制造中，英國Anaglyph軟件公司推出的Laminate Tools（簡稱LT）就是其中獨具特色的一款。
作為一款在Windows操作系統環境下運行的復合材料分析軟件，Laminate Tools的革命性在于它集復合材料結構設計、分析和制造于一身，專注復合材料從設計、分析、檢查到制造的整個結構設計流程，由此關聯了不同學科，并吸收了從1991年以來被全世界復合材料專家所證實的核心技術，從而超越了現有許多產品只關注一個特定領域的特性。與此同時，極低的性價比又使它成為一款大多數用戶都買得起的軟件。因此，從2002年1月推出第一個版本起，隨著版本的不斷提高、功能的不斷增強，Laminate Tools越來越成為一款設計師和分析師都不能忘記的優秀產品。
二、Laminate Tools功能介紹
Laminate Tools由顯示、設計、分析、檢查以及制造工藝5個功能模塊組成，分別涵蓋了三維模型可視化顯示、材料鋪層等信息建立與編輯、層合板性能生成、商業化有限元軟件結果可視化檢查以及制造工藝信息及下料圖形的輸出。以下分別對上述各功能模塊進行介紹：
1、    顯示模塊
該模塊是Laminate Tools的核心，其他模塊要想發揮功能必須借助該模塊。顯示模塊的界面如圖1所示，其功能如下：
（1）    讀取各種各式的文件，包括：行業標準*.Layup文件，NASTRAN的*.nas 、 *.bdf 及* .fem等輸入文件，Ansys的*.cdb文件，FiberSIM的 *.fml數據文件，以及CAD的STL格式文件；
（2）    顯示模型特征的分級視圖，并立即顯示樹形節點的相互關系；
（3）    以多種模式和多視角顯示模型網格，有透視圖、剪切視圖、拾取視圖、印刷視圖等；
（4）    顯示材料特征，覆蓋和量化使用方法；
（5）    顯示單層覆蓋、纖維取向、鋪覆圖案、平面樣板圖、邊界、材料、物理和鋪覆特征和源于每層的鋪層；
（6）    顯示偏移定義；
（7）    顯示從層建立的鋪層特性；
（8）    顯示每個有限元層合特性細節；
（9）    顯示厚度分布；
（10）    觀看、輸出和打印細部信息，下到每個單元。

圖1 顯示模塊界面
2、設計模塊
設計模塊的界面如圖2(a)、(b)所示，該模塊功能如下：
（1）    創建和修改材料、單層、偏置和鋪層，處理結構中所有與復合材料相關的問題；
（2）    使用子層，以隔開結構部件；
（3）    通過被測試驗證過的鋪覆模擬算法來進行單層的創建和修改，通過Simulayt鋪層技術來使用從1991年來全世界數以萬計的復合材料專家所證明了的核心技術；
（4）    鋪覆選擇，包括開口、同一單層中不同部分鋪覆順序、織物尺寸限制和種子曲線限制等，以跟隨特定結構特征；
（5）    導入FiberSIM的 *.fmd (*.fml 目錄)文件，以便能讀入單層信息到已存在的網格，從而創建整個結構層；
（6）    導入PlyMaster的電子表格數據，以便自動創建已有網格的鋪層；
（7）    可以保存成行業標準文件格式。

(a) 鋪層創建

(b) 鋪層數據導入與修改
圖2 設計模塊界面
3、檢查模塊
該模塊是Laminate Tools的一個強大的部分，能提供快速和便捷的有限元分析結果后處理。該模塊功能如下：
（1）    讀取NASTRAN軟件的結果格式文件(*.op2, *.f06)進行后處理；
（2）    讀取ANSYS結果文件(*.rst)進行后處理；
（3）    輸出每層每個工況的應力曲線，或者多層組成一組/或者多種工況和處理最差值（包線）；
（4）    輸出每層或者層界面的NASTRAN失效指數結果；
（5）    使用大量的失效理論（包括用戶自定義的），基于導入的有限元應力結果，創建失效指數、安全裕度或者預留因子，可以基于應力或者應變來進行計算；
（6）    在不需要有限元重新求解的前提下對整個鋪層結構進行小的修正和交互顯示重分配層的應力和失效計算；
（7）    通過逐層的單元厚度、輸出應力和失效指數等的曲線，清楚標識出重要應力分量和問題點；
（8）    輸出原始全局層的任意結果曲線，讓載荷路徑顯得清晰和正確的解釋優化策略；
（9）    導出層合板和每個單元的載荷信息到LAP，為在進行一個新的有限元分析之前進行額外的檢查和實驗，改善鋪層順序；
（10）    交互計算和輸出類似上面的應變結果。
簡言之，檢查模塊能夠使設計師立即領會任何工況（或多工況）對層合復合材料結構的影響，能夠快速圈定危險點范圍，識別問題，快速評估校正方法，并且采取正確行動。同樣的，過度的保守特征也能被快速識別并采取優化措施。檢查模塊節省了團隊時間和幫助避免設計失誤。圖3與圖4即為檢查模塊應用的兩個實例。

圖3 F1賽車一個部件的有限元分析結果檢查

圖4 艦艇項目的過載區域檢查
4、分析模塊
分析模塊界面如圖5所示，該模塊功能如下：
（1）    基于設計模塊創建的鋪層信息，或者從*.Layup文件直接讀取，或者通過FiberSIM的文件（設計模塊）導入，創建層合板特性數據進行有限元分析；
（2）    寫入包括所有層合板信息的NASTRAN或者ANSYS格式的輸入文件，也即轉換鋪層信息到有限元特性，為分析做準備（PCOMP卡片或者SECTION或者Real Constants）；
（3）    內嵌支持NASTRAN的文件格式，聯系網格特征到原始全局單層。

圖5 分析模塊界面
5、制造模塊
制造模塊界面如圖6所示，該模塊功能如下：
（1）    輸出DXF或者IGES格式的平面樣板圖或者鋪覆樣板圖用來嵌套剪裁或者CAD系統；
（2）    導出表格格式的完整或者部分單層信息表，以及單層鋪覆的圖表和特征，可以輸出到標準HTML格式（網頁瀏覽格式），以達到最大兼容性，或者針對公司的特定定制導出到微軟WORD（可選）格式；
（3）    自動擴展DXF格式平面樣板圖的外邊界輪廓線，以備后期剪裁；
（4）    導出激光數據到激光投影系統，進行無縫制造；
（5）    導出到模具表面以用于CAD；
（6）    處理多種已存在的平面樣板圖鋪覆在模具上，支持有限寬度重疊窄條的創建并導出到CAD系統。

圖6 制造模塊界面
三、Laminate Tools操作流程及典型應用
Laminate Tools典型的操作流程如下：
（1）    利用CAD軟件定義幾何模型曲面后，利用預定的有限元前處理器在曲面上創建網格；
（2）    利用Laminate Tools工具，用復合材料織物對曲面進行鋪覆，并建立整個結構的鋪層；
（3）    將Laminate Tools所建鋪層的單層信息轉換為層狀材料特性；
（4）    用專業有限元分析軟件對Laminate Tools所建層合材料進行有限元求解；
（5）    利用Laminate Tools對有限元分析結果進行后處理，并顯示后處理結果；
（6）    用Laminate Tools輸出單層裁切圖形樣板。
通過以上流程，Laminate Tools即可集成設計、分析和制造的相關軟件，形成簡易的復合材料分析、設計環境，進行以下的典型應用：
（1）    材料鋪覆模擬，如圖7、圖8所示；
（2）    用Laminate Tools建立的鋪層，可以用來轉換單層信息到適合進行有限元分析的層狀材料特性，然后在所選用的有限元軟件中使用該信息；
（3）    以適用于復合材料的特定方式對有限元分析結果進行后處理，包括審查單獨全部全局層的能力，如圖9所示；
（4）    使用層的信息進行制造，包括嵌入和切削，平面樣板圖的輸出，或者使用激光工具把層的輪廓投影在模具表面上，如圖10所示；
（5）    簡單觀看、審查和批準設計中的結構特征，在部門間或者轉包商之間進行數字信息交流，獲得最優結構和最小化誤差，并且在部件性能上讓可信度最大化。

圖7 模擬鋪覆高曲率曲面

圖8 試驗結構的鋪覆模擬結果

圖9 顯示高應力單元逐層應力分布的獨特視圖

圖10 作為制造項目一部分的平面樣板圖
四、總結
總的來說，聚焦于層合復合材料的Laminate Tools橋接了復合材料設計、分析和制造的整個流程，強大的可視化功能使其在審核設計和查明材料特性需要審查的問題區域時極具使用價值，創建復雜層合板的功能使其在處理大量鋪層信息時極其有用，創建并輸出單層信息表的功能使其在逐層檢查和鋪層可視化上極具優勢。Laminate Tools使用至今，已被證明是在分析和設計師之間分享信息的高效工具，它的推廣必將推動復合材料在更多領域、更廣范圍內的應用。目前最新版本為4.1版，具體技術咨詢可以聯系CAEDA Ltd.中國總代理公司。

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帶圖的

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軟件手冊

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New features in Laminate Tools version 4.2 (first release, since launch of version 4.1)
Geometry
greatly improved geometry translation, with additional control parameters and faster sewing
when loading named surfaces, element sets are also created for the component surfaces of merged surfaces, for easy picking
Design
implemented material/ply/layup export to spreadsheet, to be used for re-importing onto a morphed or translated mesh
added option to import material/ply/layup from spreadsheet onto a translated mesh
implemented ply mirroring and cloning
implemented element set mirroring and cloning
enabled auto merge of material properties on layup file import (by name, if existing type is undefined)
implemented draped pattern outputs (incl. exact) for projected type plies (ply boundary)
added option to import layup file for one element set only
added option to define ply or offset vectors by picking nodes
changed usage and naming convention for imported PlyMaster materials, to reduce number of materials added
modified COM command “layup define/append” to generate global ids
added COM automation function SetSplitEdgeIds
added COM automation function SetMaterialStiffness
Post-processing
added support for Abaqus files (INP, ODB stress)
added option to export generated failure calculations to Hyperworks H3D file format
updated Nastran OP2 support for new element type storage
added support for Ansys RST files for version 13 or later
implemented subcase deletion, fixed multiple loadcase deletion in a single operation
updated LAP export format for transverse loads and offsets
Manufacturing
implemented SigmaNEST spreadsheet output in Ply Book export
implemented data export for automated Robotic ply placement
added cut-out boundaries to Assembly Guidance laser export data
enabled the specification of text height in flat DXF pattern files
User Interface
added support for software based licence keys
improved Windows 7 compatibility, including 3D mouse usage
added COM automation function GetDrapeVectors
revised and improved default GUI graphics colours
plus numerous fixes and performance improvements.
PlyMatch
implemented automatic recalibration for mirrored parts
implemented optional display of tool probe together with model
added ability to pan when zoomed in
allowed the application of a new probe configuration without soft restart
implemented interface to inspect ply placement, calculate and export deviations
added hardware support for Windows 7
implemented fixed calibration method with 6 points
improved fixed camera calibration method with 4 points, allowed individual selection of any successful solution
added ability to save calibration for multiple fixed cameras