新應用和新方法拓展復合材料軟件市場 ZT

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        Skinner Creative公司的Michael L. Skinner 先生就2006年3月在JEC復合材料展期間展出的部分軟件進行了評述。
         
        2006年3月舉行的巴黎JEC復合材料展覽會上，參展的900多家展商中，很多公司的產品中包括復合材料行業(yè)用軟件。這些軟件包括：可與現(xiàn)有計算機輔助設計（CAD）聯(lián)合設計的軟件包、層合結構設計和分析軟件、有限元分析（FEA）軟件、結構優(yōu)化軟件、樹脂傳遞模塑成型（RTM）軟件、預算軟件及其它軟件產品。這些軟件中，很多是源于復合材料市場的高科技航空領域的需求，但目前這些程序的優(yōu)勢正逐步滲透到其它應用中，如汽車、船舶、風能等領域。下面介紹展會中的一些重要軟件。
         
        VISTAGY公司
        為突出他們在汽車和航空領域內的顧客，VISTAGY公司在JEC的展臺上展出了一輛雷諾F1車隊賽車。VISTAGY的FiberSIM * (軟件已經為雷諾F1車隊服務了三代賽車，用來改進復合材料構件的設計和制造，這其中就包括2005年在國際汽聯(lián)（FIA：Fédération Internationale de l'Automobile）一級方程式車賽中取得車手和制造商雙項世界冠軍的R25型賽車。車隊的CAD技術支持工程師Alan Duerden先生，還做了《冠軍車、復合材料構件和FiberSIM》的專題演講。
        位于英格蘭Enstone的世界冠軍車隊雷諾F1車隊繼續(xù)使用FiberSIM軟件，設計和制造R26賽車的復合材料部件。2006年1月，R26賽車在摩納哥投入使用。雷諾F1車隊完全隸屬于總部位于巴黎的雷諾公司。
        “賽車上的復合材料部件必須堅固、可靠，而且必須按照嚴格的國際汽聯(lián)標準制造。”雷諾F1車隊的技術總監(jiān)Bob Bell先生說，“但我們的生產進度也非常緊，不允許出錯，也沒有時間重做，或預先制造一輛原型車。我們使用FiberSIM已經有三年多，它幫助我們的工程師將復合材料鋪層的鋪敷速率提高了62%甚至更高。該軟件是我們高效成功生產復合材料構件的重要工具。”
        VISTAGY公司總裁兼CEO Steven C. Luby先生說：“我們很榮幸在過去三年，特別是在雷諾F1車隊去年的冠軍賽季，一直作為他們的贊助商。我們期待繼續(xù)與雷諾F1車隊合作，為其提供專業(yè)軟件，使他們的工程師能夠以更高的效率邁向下一個勝利。”
        高強輕質的復合材料是制造一級方程式賽車部件（諸如底盤、前鼻翼、和前后翼子板等）理想材料。這些構件復雜的曲線特征，給制造過程帶來一定的難度。借助于FiberSIM，雷諾F1車隊的工程師可以模擬復合材料設計，并選擇出適用于其特定用途的制造方案。該軟件還可以生成剪切機用層合板平整模型、創(chuàng)建文檔，以及向激光投影機輸出數(shù)據(jù)來指導手工鋪疊過程。
        FiberSIM將商業(yè)CAD系統(tǒng)轉化成專門用于復合材料構件設計和制造的工具。在三維模擬環(huán)境中，工程師可以使用此軟件建立復合材料部件完整的數(shù)字產品定義。FiberSIM支持整個產品開發(fā)過程，還有多種材料的靈活設計方法和制造方法。該軟件可以模擬復合材料在復雜曲面上的變形，產生制造信息，這些信息包括文檔、平展模型和驅動下游生產設備所需要的數(shù)據(jù)。FiberSIM還通過XML（標準可擴展標記語言）技術與業(yè)內人士分享復合材料數(shù)據(jù)及應用程序。
        FiberSIM可與Catia V5、Pro/Engineer 2001& Wildfire，以及Unigraphix NX CAD系統(tǒng)共同工作。它支持包括手糊、模塑、預浸帶鋪覆及纖維鋪放等技術在內的大多數(shù)復合材料生產工藝。
        VISTAGY公司稱，F(xiàn)iberSIM的最新版本5.1版，具有以下三個基本優(yōu)點：
        ◆ 在產品開發(fā)過程的早期實現(xiàn)自動化。在制造大型或復雜復合材料部件時，工程師使用FiberSIM幫助他們設計和檢驗層合結構、分塊、鋪層及鋪層順序。該軟件具有一些新功能，可以在產品開發(fā)過程中更早實現(xiàn)設計方法的自動化，提高了復合材料部件的生產效率。例如，使用新的“模型合并”功能，工程師可以將自動生成的模型（如飛機機身）快速、自動地分成幾個獨立的模型，并在后期處理中再將它們合并。這樣，很多工程師就可以同時制造一個大型復合材料產品，從而大大縮短開發(fā)時間。軟件的“對稱層合功能”可先生成一個模型（如飛機的復合材料左翼），然后使用所有數(shù)據(jù)自動生成相對應的右側結構，即右翼，這樣可節(jié)省幾個小時的人工設計時間。
        ◆ 為優(yōu)化各種復合材料產品開發(fā)過程而專門設計的功能。復合材料設計如果不能適應特定的制造工藝，在經濟上是行不通的。新的自動疊層設計（Automated Deposition Designtm：ADD）選項可自動生成復合材料產品的幾何形狀，特別適用于預浸帶鋪覆或纖維鋪放等制造工藝，對大型構件來說，可以節(jié)省數(shù)周的手工勞動。FiberSIM 5.1為鋪層鋪敷以及預浸帶鋪覆和拼接提供了獨特的工具來優(yōu)化復合材料設計，使得下游生產更加快捷。此外，軟件的存檔功能也有所增強。
        ◆ 創(chuàng)建完整產品定義，支持下游生產。工程師可以使用驅動下游生產必需的所有資料和數(shù)據(jù)，創(chuàng)建完整的復合材料設計定義。采用XML可以很容易地實現(xiàn)完整數(shù)據(jù)的業(yè)內共享。因此，工程師可以了解設計細節(jié)的歷史和背景，這樣有助于減少下游可能出現(xiàn)的錯誤，獲得理想的產品質量和，并達到規(guī)范要求，而且，與傳統(tǒng)工藝相比節(jié)省了許多時間。
        “在產品開發(fā)的初期，通過對多數(shù)重復或復雜的復合材料設計任務實現(xiàn)自動化，F(xiàn)iberSIM 5.1可以幫助工程師選擇最優(yōu)的產品設計和制造方法，從而縮短工藝周期，降低成本。” VISTAGY公司負責產品研發(fā)副總裁Bob Flory先生說，“因此，我們的顧客在競爭中占有極大的優(yōu)勢。”
        VISTAGY軟件被廣泛應用在航空、汽車、船舶、醫(yī)療、體育用品和交通內飾件行業(yè)。該公司還提供培訓和咨詢服務。
         
        Anaglyph公司
        Anaglyph有限公司擁有以下幾種復合材料軟件產品：Laminate Tools、CoDA和LAP。
        Laminate Tools是一款經濟型、基于Windows操作系統(tǒng)的軟件，集復合材料結構設計、分析和制造功能于一體。CoDA可輔助面板、梁、接頭、法蘭和層合板的初步工程設計，還可以根據(jù)機械性能要求合成復合材料。CoDA是復合材料小組在位于英格蘭的國家物理實驗室研發(fā)出的一款產品。LAP軟件的功能是對復合材料層合板進行深入的分析和設計。
        Laminate Tools最新的3.1版，在Windows操作系統(tǒng)下運行，可以用CAD系統(tǒng)提供的信息定義表面，然后模擬材料的鋪敷。它可以用有限元分析（FEA）軟件的前處理器（目前支持Nastran或Ansys的有限元系統(tǒng)）來輸入有限元網格，然后用復合材料織物鋪敷所有表面，直至得到整個結構的鋪層。它可以將鋪層信息轉化為適于有限元分析的層合材料性能，也可以在有限元分析中調用鋪層信息。它還可以采用復合材料的特有方式對有限元分析結果進行后處理，如檢查各個層合板的功能，然后，軟件將這些鋪層信息用于制造過程——輸出平整的鋪層模型用來鋪疊合剪切，或者在制造過程中，將鋪層輪廓投影（用激光設備）在模具表面。
        Laminate Tools還能夠在設計過程中顯示、評估和核實結構性能，并實現(xiàn)不同部門或轉包商之間信息的數(shù)字交流。
        Laminate Tools是模塊化的軟件，共包括五個模塊。顯示模塊具有只讀顯示功能，工程師可以方便、深入地檢查和理解復合材料設計。其它他四個模塊：設計、分析、校核和制造進一步擴展了產品功能，他們可以建立單層和鋪層材料信息、建立有限元層合性能、檢查有限元應力結果、生成失效指標、輸出鋪層模型，并可以與第三方應用程序進行信息交流。
        “Laminate Tools的用戶來自航空業(yè)、一級方程式賽車和汽車業(yè)、船舶以及風能等領域，”Anaglyph的董事總經理George Kretsis博士說，“我們開發(fā)了Laminate Tools，將價格定位在小公司也能用得起的范圍內。這樣，我們就將前沿的航空技術有效地推廣到了所有認真的復合材料專業(yè)人士手中。采用行業(yè)標準格式，并與現(xiàn)有的知名產品100%兼容，我們的用戶可以參與到逐層設計、分析和制造的模擬技術中來。”
        “采用其它方案（鋪敷、有限元分析界面、顯示后處理、電子鋪層手冊、激光投影等）來完成Laminate Tools所具有的功能，費用要以十倍來計。”Kretsis博士說，“而且，所有的功能都由一個產品、一個供應商來提供。”
         
        ESI 集團
        ESI集團在JEC展臺上展出的是他們的復合材料軟件產品：SYSPLY、PAM-RTM和PAM-FORM。SYSPLY是一款模擬工具，用于設計多種鋪層形式構成的復合材料結構。PAM-RTM則用于模擬樹脂注射纖維增強材料的制造工藝，即樹脂傳遞模塑（RTM）。PAM-FORM是一款模擬塑料和復合材料熱成型的軟件。
        ESI集團的用戶Poncin Yachts正在開發(fā)和生產9~15米長的現(xiàn)代化帆船，他們將高性能的計算機控制工具引入到樹脂傳遞模塑和真空灌注成型中，來制造復合材料船體和甲板。借助于PAM-RTM軟件，可以為采用閉模工藝的復合材料生產線設計和開發(fā)新的加工手段。這一技術可以提高部件質量，獲得非常光滑的產品表面。RTM和真空注射成型的結合可以保證樹脂非常均勻地分布在模腔內部的各個角度，從而獲得更高的剛度性能和恒定的重量。所有參數(shù)均由連接到傳感器的自動化控制器管理，傳感器可對溫度、壓力和體積等進行持續(xù)監(jiān)測。
        閉模工藝還具有保護環(huán)境和人類健康的優(yōu)點。樹脂在真空下注射，因此任何由揮發(fā)性有機化合物（VOC）產生的有害或有毒物質都被封閉了，其排放率被降低到10 ppm以下，比2007年將要采用的歐洲標準還要低兩倍。“利用PAM-RTM，Poncin Yachts公司在設計大型構件時，可以預測出潛在的制造問題，而這些問題是無法事先模擬的。”ESI集團復合材料解決方案負責人Patrick de Luca先生說。
        自項目伊始，Poncin Yachts公司在10000 m2的現(xiàn)代化工廠上的投資已經超過1700萬歐元，招募了170多人，建立了通常只有汽車和航空工業(yè)才會采用的生產和質量控制模型。該模型可降低成本，縮短開發(fā)周期，并通過24小時運轉來優(yōu)化工業(yè)生產能力。
        Polyworx公司
        Polyworx的RTM-Worx軟件是一款基于Windows操作系統(tǒng)的程序，采用有限元方法（FEM）來求解控制樹脂流經多孔介質的物理方程。只具有RTM工藝知識而未經有限元方法專業(yè)培訓的工程師也能夠對部件和工藝進行優(yōu)化。RTM-Worx結合了有限元/控制體計算的核心算法和面向目標的用戶界，非常快速、可靠、功能強大而且精確。軟件完整集成了幾何編輯器、前后處理器和求解器。
        Polyworx公司的Arjen Koorevaar先生指出了該軟件的一些新特點：“最近的一些改進包括：在COMPROME項目中開發(fā)的SALT腳本界面，以支持模型上的實時在線控制；在EU STREP程序中，一種新型開放式文件格式WDX，用于大型復雜部件（如風機葉片）流動分析和優(yōu)化的數(shù)據(jù)交換，以縮短輸入模型的前期準備時間。
         
        Galorath公司
        Galorath公司的SEER-DFM是一款項目預算軟件。與Airbus合作，Galorath公司榮獲了去年JEC頒發(fā)的一項創(chuàng)新獎，Andrew Langridge先生在今年的JEC會議期間做了該軟件在復合材料項目中的應用的演講。
        該軟件支持大部分復合材料制造工藝——手糊、纏繞成型、編織和其它方法，還支持不同的固化和注射方法——高壓釜、樹脂傳遞模塑（RTM）、真空輔助注射成型（VARIM）和其它，還有標準的金屬加工工藝。該軟件可以根據(jù)產品勞動力、加工和材料成本預算出項目總成本、平均成本和單位制造成本。在制造工藝水平上，它還可以確定工藝的主導因素、部件原始重量和成品重量、關鍵工藝參數(shù)和它們對總成本的影響，以及設置、運行、重新加工、檢測、材料和加工的成本。包括空客和波音及其許多供應商在內的眾多主要航空業(yè)制造商都在使用該款軟件。
         
        Collier Research公司
        Collier Research公司的HyperSizer * 是一款復合材料結構應力分析和尺寸優(yōu)化軟件。“HyperSizer可以自動連接到FEA系統(tǒng)上，例如用于系統(tǒng)研究結構件安全邊際的檢查的NASTRAN。” 軟件的開發(fā)者兼公司總裁Craig Collier先生說，“該軟件可以解決金屬材料和復合材料中復雜的機械應力/應變和熱應力/張力問題，并可以對板、梁和接頭進行詳細的失效分析。”
        “對于終端用戶來說，HyperSizer的關鍵優(yōu)勢之一是，它是第三代軟件包，經過了幾次徹底改正。”他說，“HyperSizer結合了我們公司、NASA、工業(yè)界和高等院校的方法和軟件，我們將數(shù)百種分析方法囊括其中。HyperSizer用戶界面友好，文檔完備，且建立在完整的數(shù)據(jù)庫基礎之上。”
        該軟件在Windows 操作系統(tǒng)下運行，可生成Microsoft Word格式的應力分析報告。HyperSizer具有強大的圖形處理功能，可以在有限元模型上顯示出計算機化的結果，例如：最優(yōu)板材方案和材料、安全邊際、臨界失效模式、臨界載荷工況等計算結果。該軟件還具有擴展功能，可以通過Microsoft COM和ActiveX與其他軟件接口，而且用戶可以根據(jù)客戶的特定需要開發(fā)插件程序模塊。
        盡管HyperSizer廣泛應用于NASA、波音、Lockheed Martin和許多其它航空公司，該軟件也可用于其它結構。HyperSizer對ISO集裝箱側板在ISO規(guī)定中必須承載的三種載荷工況下進行了優(yōu)化，尺寸和材料優(yōu)化結果顯示，采用某種面板方案和碳纖維材料制成的側板可以降低80%的重量，優(yōu)化后的質量為48千克，而相同的鋼質側板則重達247千克。如此顯著的重量降低是以大量的強度和穩(wěn)定性優(yōu)化為基礎的。
        HyperSizer還可以自動確定以低成本玻璃纖維材料為原料的設計方案，該方案下，每塊側板重91千克。該低成本設計方案還提高了產品的損傷公差。
         
        e-Xstream engineering公司
        e-Xstream 工程公司的DIGIMAT * 是一款線性和非線性多尺度材料模擬軟件。多尺度材料模擬包括在掌握材料微觀結構的基礎上理解和預測材料的宏觀性能。DIGIMAT中場均化功能可以對非均質材料和/或各向異性材料（如復合材料）進行材料性能預測。
        DIGIMAT和大部分的CAE軟件（如Moldflow、3D-Sigma、Abaqus和Ansys）都有接口，通過考慮成品結構中工藝方法導致的材料微觀結構，為多尺度材料和結構模擬提供了綜合而有效的方法。
        DIGIMAT輸入材料的微觀性能、微觀結構和載荷等數(shù)據(jù)，而輸出的復合材料性能則用于有限元分析或其它下游工藝。
        DIGIMAT最典型和常見的應用之一是在工程塑料領域，用來模擬玻璃纖維增強熱塑性注射成型部件的線性和非線性材料性能。在這些應用中，DIGIMAT考慮了由注射模擬軟件預測到的纖維取向，在結構有限元分析軟件中作為微觀力學材料模型。
        “我們的軟件旨在解決材料比較復雜（比如：非線性、各向異性和/或非均質）和終端產品性能非常重要時所出現(xiàn)的所有問題。”公司的創(chuàng)始人之一Roger Assaker博士說，“現(xiàn)在，這包括對增強塑料制成的各種結構的模擬，軟件可以精確預測翹曲（形狀穩(wěn)定性）、準靜態(tài)剛度、振動響應、永久（塑性）變形和沖擊（高速載荷）響應。現(xiàn)在我們正大力投資來模擬周期載荷和沖擊載荷下的材料損傷和失效。”
        e-Xstream engineering公司是比利時Louvain-la-Neuve市Louvain大學（UCL）的一個創(chuàng)新性公司。
        e-Xstream 曾與汽車制造商合作分析長纖維注射成型部件的性能，也與其它制造商在纖維增強彈性體基復合材料領域進行過合作。
        “微觀力學材料模擬在科學領域是一個熱門課題，但誰也沒將它帶到‘真實世界’中的非線性應用中。” Assaker先生說，“據(jù)我所知，我們工作在一個嶄新的領域。”
         
        Material公司
        Material公司的軟件Composite Star是復合材料材料和結構設計的數(shù)據(jù)庫軟件。它采用微觀力學方法計算鋪層性能；根據(jù)經典層合板理論（CLT）或網絡分析（Netting Analysis）方法計算層合板的性能；計算新的標準失效準則、漸進失效模型下層合板載荷響應和失效；還有層合梁、層合管和層合板的性能、載荷響應和失效。
        Composite Star中定義了一個恒定載荷和一個可變載荷。恒定載荷通常作為預加載荷（例如：固化產生的熱載荷、外部靜態(tài)機械載荷），可變載荷用于定義外部動態(tài)機械載荷。這樣就可以計算出多大的外部動態(tài)載荷會導致失效。
        Composite Star采用最新、最先進的逐層失效分析方法。除了標準失效準則（最大應力準則、最大應變準則、簡單的Puck準則、改進的Puck準則、Tsai-Hill準則、Tsai-Wu準則、Hoffman準則、Hashin準則），Composite Star還引入了世界上最詳細、最精妙的交互式準則：Puck的作用平面準則。該準則區(qū)分了不同失效模式（拉伸和壓縮下的纖維斷裂，拉伸、剪切和壓縮下的纖維間斷裂），計算纖維間斷裂的失效平面角，可預測到突變的楔效應。
        設計師的另一個重要工具是失效包絡線、每一層恒定應力和可變應力向量的三維模型顯示，設計師可以及時獲得應力狀態(tài)和臨界層儲備系數(shù)等信息。
        全球的高等院校和工業(yè)研究實驗室對Puck的作用平面失效準則和退化模型進行了充分測試，結果表明，該準則與實際情況非常吻合。而且，它還是VDI（德國工程師協(xié)會）2014準則中的新標準，受到德國Aachen市IKV（塑料工藝研究院）和世界領先的復合材料設計專家的推薦。
        Composite Star也與許多有限元分析程序有接口，可以輸入和輸出有關纖維、基體、鋪層、層合板、鋪敷順序、載荷或結構方面的任何數(shù)據(jù)。Composite Star將數(shù)據(jù)存儲于最先進的、功能完備的數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫具有廣泛的搜索、過濾、排序和數(shù)據(jù)輸入輸出等等功能。數(shù)據(jù)庫儲存了纖維、基體、鋪層、層合板、鋪敷順序、載荷和結構等數(shù)據(jù)信息，除了物理參數(shù)和工程參數(shù)，數(shù)據(jù)庫中還可以儲存批注和文字筆記。
        Composite Star基于Windows的操作系統(tǒng)運行。Material公司還提供纖維纏繞軟件和咨詢服務。
         
        展望
        JEC展臺上展出的大量多種軟件說明，軟件已經得到復合材料行業(yè)的認可，并且是必需的。大大小小的公司都在開發(fā)和使用越來越多的復合材料專用軟件，用于設計和制造。軟件公司正致力于將復合材料理論研究和實踐研究成果統(tǒng)一到他們的軟件產品中去，以提高復合材料產品質量、縮短開發(fā)周期，制成更大、更復雜的結構。
        復合材料制造公司（其中很多是航空領域的先驅）日益認識到，利用復合材料軟件的優(yōu)勢是確保自身在不斷發(fā)展的行業(yè)中保持競爭力所必需的。