復合材料零部件研制具有工藝復雜、技術難度大、研制周期長、制造成本高的特點，數值模擬仿真技術是解決這些問題的有效手段之一。當前，先進樹脂基復合材料制件成型工藝主要包括 RTM（Resin Transfer Molding）成型工藝、熱壓罐成型工藝、模壓成型工藝、纏繞成型工藝、鋪放成型工藝等。這些工藝仿真軟件的研發將有效促進數字化復合材料設計制造體系的不斷完善。

1 軟件概述

先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件主要指圍繞如何提高先進樹脂基復合材料制件質量和優化成型工藝而研發的成型工藝仿真軟件，該系列軟件隨著先進樹脂基復合材料成型工藝及模擬仿真技術的發展而不斷進步。全球市場上主流的樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件通常按照工藝類型劃分，包括 RTM 成型工藝仿真軟件、熱壓罐成型工藝仿真軟件、模壓成型工藝仿真軟件、纏繞成型工藝仿真軟件等。從核心的求解器部分來看，軟件主要功能可分為流場溫度場及固化變形兩大部分。其中在流場計算方面，RTM 成型工藝仿真軟件的流場計算主要涉及液態和半固態，以有限體積和有限元方法為主，而熱壓罐成型工藝的流場及溫度場計算主要以氣態為主，因此有限體積方法在這一工藝中更為主流。固態應力及應變計算的求解器目前均是基于有限元方法。

先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件研發前期大多以高校為主，主要進行基礎理論及算法研究，后續實現商業化，以軟件公司的形式進行，并最終被更大的公司收購以便維護和推廣應用。

樹脂基復合材料成型工藝的基礎理論、模型與算法是開發仿真軟件的核心。隨著計算機硬件性能的不斷提升與算法研究的逐漸深入，眾多科研機構逐漸將計算機模擬仿 真 技 術 應 用于先進樹脂基復合材料成型工藝仿真 。RTM工藝和熱壓罐工藝是國內航空航天等行業先進樹脂基復合材料成型的主流工藝，因此重點對這兩種工藝的仿真技術研發現狀進行闡述。從基礎模型看，這兩種工藝的仿真技術均可分為溫度場流場計算和固化變形計算兩個部分，由于固化變形仿真這兩種工藝的原理差異不大，因此先對差異較大的溫度場流場計算部分進行論述，再對固化變形仿真進行論述。

RTM 成型工藝是目前備受關注的復合材料制造技術之一，也是最為成熟的工藝方法之一。RTM 的基本原理是在一定的溫度和壓力下，利用注射設備將符合特定要求的專用低粘度樹脂注入預先鋪放好纖維增強材料的閉模型腔中，樹脂體系在模具中流動并且逐漸浸潤纖維增強材料，然后在一定時間內固化成型，制成具有一定性能和結構要求的復合材料。RTM 工藝主要包括以下幾個階段：纖維增強材料（纖維預制體）設計和制備、纖維預制體鋪放、合模、樹脂注入和固化、脫模以及后處理等。RTM 成型具體工藝過程如圖 2 所示。其中，樹脂的注入（充填）和固化是最重要的兩個環節，RTM 整個工藝過程中的主要物理和化學過程基本都發生在這兩個階段。充填和固化不僅對復合材料制品的質量和性能產生重要影響，還很大程度地決定了復合材料制品的成型周期和生產成本。就仿真而言，上過程可分為以流場和溫度場為主的充填過程和以固化變形為主的固化脫模過程。

熱壓罐成型工藝是指將單層預浸料按預定方向鋪疊成復合材料坯料，放在熱壓罐內，在給定溫度和壓力下完成固化過程的工藝方法。熱壓罐工藝是另外一種被廣泛使用的復合材料制備工藝，特別是生產蒙皮類零件這類薄壁件時具有獨特優勢。到目前為止，由熱壓罐生產的復合材料占整個復合材料產量的 50% 以上，在航空航天領域，更是高達 80% 以上。就仿真而言，熱壓罐工藝仿真主要包含罐內的流場和溫度場仿真、復合材料制件的固化變形仿真兩個部分。針對熱壓罐溫度場及流場計算，國內外學者進行了深入研究，從一維到三維，尤其是隨著商業 CFD 軟件的發展，極大推進了熱壓罐復合材料制件溫度場的計算。

國內對于復合材料模壓成型工藝和纏繞成型工藝也展開了相關研究。王貴彬等針對碳纖維復合材料加固件，在商業化軟件 ANSYS 的基礎上，進行了模壓成型有限元分析；楊金利等開發了基于 Open GL 的纏繞成型仿真系統，實現了三維動態加工的模擬仿真。3 軟件發展現狀樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件發展歷史較長，從20 世紀 80 年代開始，ES 法國 ESI公司就開始吸收高校和研究機構在基礎理論研究方面的先進成果，以 RTM 工藝為目標，開始進行商業化開發。隨著算法和計算能力的不斷提升，同時也隨著制造工藝的不斷發展，許多新的工藝類型軟件都得到了快速發展。針對先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件而言，目前主流的 RTM 成型工藝商用軟件包括法國 ESI 集團開發的 PAM-RTM、荷蘭 Polyworx 公司開發的 RTM-Worx 等；針對熱壓罐溫度場及流場，國內外主要采用商業 CFD 軟件進行模擬，例如 FLUENT、CFX、STAR-CD 等。法國 ESI 集團耦合 FEM 和 CFD 技術，開發了專門的熱壓罐工藝仿真軟件 PAM-AUTOCLAVE，西門子基于Simcenter 3D 推出了熱壓罐成型工藝仿真方案；模壓成型工藝商用軟件主流的有法國 ESI 集團的 PAM-FORM 等、纏繞成型工藝商用軟件有比利時材料工程有限公司（MA-TERIAL）的 CADWIND 等 。對上述軟件進行 詳細描述如表1 所示。

它是一種用于檢查流動可能性、檢查最佳澆口位置、預測翹曲、成型周期預測、合模力預測以及設計冷卻效率良好的冷卻管的模擬，又稱樹脂注射成型模擬，是產品設計和模具規格設計中塑料制品分析中的一種綜合分析。翹曲變形是嚴重的成型缺陷之一。翹曲是由型腔內不均勻的樹脂收縮引起的。換句話說，成型品的形狀和澆口位置的設計必須使模腔內的溫度和壓力均勻，模具冷卻管的布置必須使模具內沒有溫差。

典型的軟件有Autodesk的“Moldflow”、CoreTech System的“Moldex3D”和Toray的“3D TIMON”。

它用于預測變形量、應力、應變、是否存在失效以及施加載荷時的失效載荷。在機械設計中，需要知道產品的強度，這是一個非常重要的分析。由于可以在實際制作樣品和進行強度測試之前進行模擬，因此可以縮短設計開發周期。

典型的軟件包括 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”、Ansys 的“ANSYS”和 Altair 的“OptiStruct”，但軟件種類繁多。

分析熱量如何在固體內部傳遞并模擬溫度分布。分析受熱部位和與發熱部位接觸的部位的熱傳遞情況，可以評估材料的隔熱性和保溫性。

預測由溫度變化引起的應力。塑料的線性膨脹系數比金屬高，更容易受到熱應力的影響。組合具有不同線性膨脹系數的材料時必須特別小心。也可以執行耦合分析，其中溫度分布在傳熱分析中獲得，并用作應力分析中的邊界條件。熱傳導分析和熱應力分析可以用上面提到的大多數應力分析軟件進行計算。

熱流體分析/計算流體動力學 (CFD)

預測流體（例如液體和氣體）如何流入和流出物體。對于實際產生熱量的產品，熱量不僅在固體內部傳遞，還會通過載熱流體（空氣、油等）傳遞到其他部分。這種現象無法通過熱傳導分析來分析，因此使用了熱流體分析/計算流體動力學（CFD）。此外，即使零件具有復雜的形狀，熱流體分析/計算流體動力學（CFD）也是有效的，因為導熱系數和溫度分布會因周圍空氣的對流而發生變化。

代表性軟件包括 Altair 的“AcuSolve”、Ansys 的“ANSYS Fluent”、西門子軟件的“STAR-CCM+”和 Convergent Science 的“Converge”。

計算物體的本征頻率和本征模態形狀。固有頻率是物體（振動系統）自由振動時每秒振動的次數。本征模態形狀是以本征頻率振動時的振動形狀（變形）。如果物體產生共振，可能會發生損壞或噪音。共振是一種現象，其中通過接收與物體的固有頻率相同的外部振動來大大放大振動。可以通過固有頻率分析找到可能發生共振的頻率，并用于設計不會引起共振的結構。

模擬物體受激時產生的位移和應力。發生共振時，可以獲得產生的振幅和應力的大小，可以確認共振對策的效果。

特征值分析（特征頻率分析）和（頻率）響應分析的典型軟件有Dassault Systèmes的“Abaqus”、Siemens Software的“NX Nastran”和Ansys的“LS-DYNA”。

預測重復加載時發生故障的次數。當負載反復施加到物體上時，即使小于其靜態強度的應力也可能導致其失效。這稱為疲勞失效，可以使用 SN 曲線進行評估。可以在創建實際樣本和執行耐久性測試之前執行模擬，從而縮短開發時間。

預測一定時間后的蠕變變形量。塑料由于其粘性特性而受到蠕變載荷的影響很大，因此采取了提前進行模擬的對策。它還用于焊點的壽命預測。

預測一定時間后的應力值，應力松弛是由于塑料的粘彈性特性而發生的現象。設計用螺釘或螺栓固定的零件，或使用故意變形產生的反作用力的產品（例如彈簧）時必須小心。與蠕變不同，從外部看不到變化，因此預先分析可以防止質量問題。循環疲勞分析、蠕變分析和應力松弛分析的典型軟件有 Dassault Systèmes 的“Abaqus”、Siemens Software 的“NX Nastran”和 Ansys 的“LS-DYNA”。

它模擬物體碰撞或墜落時的時程應力、應變、位移、加速度等。當物體受到沖擊時，會產生比靜態應力值大很多倍的應力，從而導致損壞等問題。此外，還可以進行考慮材料特有的動態特性（應變率依賴性、粘彈性效應）的評估。應變率依賴性是樹脂的一種特性，材料特性會根據變形率發生很大變化。還可用于假定汽車等的碰撞速度的試驗。典型的軟件有Ansys的“LS-DYNA”、ESI的“PAM-CRASH”、Altair的“Radioss”。

Topology優化分析是通過給出產品使用場景中假定的結構約束、載荷和約束條件來計算最佳形狀的系統。

生成人類無法想象的高度新穎的形狀，導致產品設計不受現有形狀的限制。可以說，隨著3D打印機等生產加工技術的進步，它是未來會越來越受到關注的一項技術。

代表軟件有Altair的“OptiStruct”和Dassault Systèmes的“TOSCA”。

分析和可視化與聲音產生和傳播相關的各種聲學現象。除了提高揚聲器等音頻設備的音質外，還可以在設計中反映出針對發動機和風扇等工業產品發出的噪音等令人不快的聲音的措施。這種分析對于開發具有出色聲學特性的產品和要求安靜的產品是必不可少的。

代表軟件有Hexagon的“Actran”和Dassault Systèmes的“Abaqus”。

在使用有限元法的常規分析中，對單個零件進行評估。但是，對于由多個部件組合而成的產品，需要將部件作為一個集合進行分析。在多體動力學分析中，可以預測與其他部分的關節力和作用力的影響，并模擬進一步運動所作用的力。

它用于評估多個部件錯綜復雜地連接在一起的機械系統，例如汽車和工業設備。典型的軟件是Dassault Systèmes的“Simpack”和Hexagon的“Adams”。

在設計玻璃纖維與樹脂混合的增強等級時，必須考慮纖維取向。這是因為纖維的取向是沿著樹脂的流動方向決定的，導致收縮不均勻和翹曲，以及強度和方向較弱的區域。通過映射注塑成型模擬結果中的纖維方向和取向信息并將其傳輸到另一個分析軟件，可以提高應力分析的準確性。具有代表性的軟件是Hexagon 的“Digimat”。

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