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1、第二届中国C A E 工程分析技术年会 E S A C o m p 复合材料结构设计的专用软件 M a r k k uP a l a n t e t s , C o m p o n e e r i n g 公司，芬兰，赫尔辛基 C A E D A 中和华星编译 要：复合材料层台板的设计过程存在着同传统金属结构设计不同的阶段例如，复台材料的结构设计有许 多种可能的材料组合，而且，材料的各向异性力学行为在设计阶段是能通过选择特定的纤维方向和叠层次序 就确定了的虽然有限元程序能移用来对复合材料进行分析但是却不能咎涵盖所有涉及复合材料具体设计 和分析方面因此，还需要专业化的复台材料设计工具来对复合材料
2、进行设计一些比较先进的设计工具， 如本文中涉及的E S A C o m p 软件，同有限元软件包结台起来，组成了复台材料结构设计过程的整个部分。 关键词：复台材料，复合材料结构，层合板，夹层结构，分析，设计，软件，E S A C o m p 1 复合材料的设计需要软件工具 在很多方面，复合材料的结构设计同金属材料的结构设计都存在着差异。在设计阶段纤 维增强复合材料结构和夹层结构的力学性能就已经被确定下来。通过选择不同的材料、铺层 角和叠层次序可以无限设计出具有不同力学性能特征的复合材料来。要充分利用复合材料优 异的比刚度、比强度就需要非常强调复合材料的设计工作。 通过使用各向异性壳单元，所有的
3、主流有限元软件对复合材料结构分析都提供了很大的 帮助。但是，在复合材料的初始设计阶段对整个结构进行有限元分析的起始准备工作，包括 材料种类的选择、层台和夹层结构的设计以及层合板铺层方式设计，有限元软件的实用性不 人。当在层台板结构的不同层的级别上来对复合材料行为进行细节研究时，有限元软件包提 供的后处理能力尤其有限。这也再次说明了专业复合材料分析工具的必要性。 从文件输入输出的内部代码方式到电子数据表格的应用和完全交互式视窗程序，许多的 软什L 具被开发出来对层合板进行分析。当前一些比较高级的软件工具已经从基本的层合板 分析发展到了对类似梁、板和夹层面板中复合材料层板的连接等这样的结构单元进行
4、分析。 一些层台板分析工具可以为商用的有限元软件提供界面。 本篇文章的基础是在开发E S A C o m p 软件过程中获得的经验。接下来的章节中，将 E S A C o m p 软件作为先进复合材料设计软件中的一个典型，对其所具有的设计能力进行介绍。 井在最后部分讨论了复合材料设计工具同有限元程序的系统问题。 2 E S A C o m p 软件 2 1 背景 E S A C o m p 软件作为欧洲航天局( E u r o p e a nS p a c eA g e n c y , E S A ) 的一个资助项目在1 9 9 2 年 开始运行。该课题的目标是实现一个统一界面下可以包括所有必
5、需的层合板分析、设计能力 的软件工具。该软件系统同样也应该能够被终端用户进行扩展来满足在基本系统中不能够预 见或者包括的某些特殊需要。它的最终目的是推出一个标准工具来取代许多被航空、航天 公司使用的内部代码软件。 E S A C o m p 软件的最初开发工作在赫尔辛基技术大学的轻型结构实验室中进行。2 0 0 0 年， C o m p o n e e r i n g 公司接管负责E S A C o m p 软件的进一步开发和维护，并成为该软件的商业发行 第二届中国C A E 工程分析技术年会 商，欧洲太空宇航局继续对该软件中航空航天工业所关注的设计能力的开发工作进行资助。 E A S C o
6、 m p 软件起初开发了针对微软W i n d o w s 和U n i x X 两种系统平台的软件工具，但是 目前该软件仅支持微软W i n d o w s 系统，E S A C o m p 软件的L i n u x 操作系统版本将在2 0 0 3 年发 布。 由于具有欧洲航天局的背景，欧洲航空航天公司最早采用了E A S C o m p 软件( 图1 ) 。一 些研究院所和人学也是该软件的主要用户。E A S C o m p 软件被开发为一个通用工具以米，也增 加了一些其他工业领域内使用到高性能复合材料的新客户( 图2 ) 。 图1E S A C o m p 软件支持设计的 A r i a
7、 n e5 复合材料整流罩 ( 照片来源：E S A ) 2 2 数据库 图2F Y - C o m p o s i t e sO y 设计和生 T - 2 0 0 0 气垫船的复合材料结构 ( 来源：芬兰海军) E A S C o m p 软件具有用来存储有关材料性能( 纤维，树脂材料，单层) 、层合扳、结构单 元( 梁横截面，板，机械和胶接接头) 以及载荷工况的数据库。 在这里，单层( P l y ) 是一个用来形成层合板的通用材料术语。单层可以进一步被划分为 增强层、均质层以及芯层( 均质或者蜂窝芯) 。该信息的必要性在于，定义于某一种单层方式 上的部分数据内容同另外一种单层方式是不同的
8、。某些分析也同单层的属性相适应。根据材 料的本构关系，单层可以被划分为正交各向异性、横观各向异性以及各向同性，这样就塌小 化了用户所必须给出的数据量。对层的定义包括：质量数据( 体积密度，面密度) ，力学性能 ( 模量，泊松比，湿胀和热胀热系数，强度) ，工艺数据( 不同加工技术的适用性，固化温度 和压力) 以及产品参考数据( 生产商和价格) 等。 层合板( L a m i n a t e ) 是由给定叠层次序的层通过给定层铺层角( 层坐标系统同相应的层合 板坐标系统之间的夹角) 的方式来组合形成的。如果没有定义单层厚度，在这里还可以对单 层进行厚度定义。E A S C o m p 软件将夹层
9、结构作为一种特殊的层合板情况来进行处理。系统自 动将由芯部材料分开的实体面板作为夹层结构处理并进行相应的有关分析。E A S C o m D 软件可 以通过几种方式来对层合板进行定义，包括予层倍增的表格形式或者定义层合板的对称或者 反对称特性。在E A S C o m p 中同样可以通过对选定层给出特定铺层角或者定义选定层的待定厚 度比例作为参数来定义层合板。 在E S A C o m p 软件中，通过选择粱截面、板和胶接接头或机械接头所包含的层以及进一步 给出所必需的数据设置( 如尺寸) 来形成结构单元。 第二届中国C A E 工程分析技术年会 在E S A C o m p 中，一组结构单元
10、的设置被称作一种项目( C a s e ) ，该项目代表了一种典型 的设计厮究方案。在一个项目中相关材料、单层、层合板以及结构单元的变化相互关联。 例如，单层性能的变化影响了所有使用该层的层合板并进一步影响到了所有使用该层板的 所有梁结构。 E S A C o m p 数据库被划分为三种级别：用户水平，企业共享数据的水平和包含了当前所使 心的通用复合材料材料数据的E S A C o m p 数据银行，该数据银行数据库从材料供应商提供的数 据表格和其他公开资料中收集数据。 2 3 分析能力 微观力学分析允许在材料组分、纤维和基体材料的基础上来预测复合材料的力学行为。 这些分析可咀用来研究纤维含量
11、对复合材料单层力学性能的影响并为初期的设计考虑生成 数据。一般的微观力学关系在精确模拟复合材料行为时有很多缺陷，因此在实际的设计工作 中需要使用更可靠的单层的试验测试数据。E S A C o m p 提供了基体的混合率公式来预测工程 常数和各种膨胀系数。而且，用户还可以定义专门的微观力学分析模型。 经典层台板理论( C l a s s i c a l l a m i n a t e T h e o r y , C L T ) 组成了层合板复合材料结构的分析基础， 而且是E S A C o m p 软件中大多数分析的基础。在E S A C o m p 软件的层合板2 5 D 行为分析中， 层合板
12、本构关系用工程常数和目目度僳度矩阵表示。在该软件中可以使用湿热膨胀系数，并 且可以使用耦合系数来描述非对称层合扳的复杂行为。 层合板载荷响应分析允许在层台板级别上来研究层合板的响应( 相应应力、力矩、应变) 也可以在每一单层的级别上来研究( 材料和层合板坐标系统下的应力、应变) 。载荷工况可以 定义为力和力矩，正则应力或应变以及耦台。当涉及到湿热载藏时，系统给出了这些内部载 荷在层合板不同层上产生的残余应力。 图3 可以在不同的坐标系统下来研究层合板单层的应力或应变 对于基于单层的层合板载荷响应，可以使用首层失效方法( F i r s tP l yF a il u r e F P F ) 。
13、该理论假定复合材料层合板的失效行为首先发生在层台扳中最先到达失效临界值的单层上。 由于层合板内的多轴应力应交状态，需要使用几个失效准则来进行分析。复合材料具有许多 可用失效准则除了几个E S C o 呻内部提供的常用失效判据外。用户可以定义自己的失效准 则，E S A C o m p 用安全裕度系数或安全系数的形式给出了结构的失效包线，很清楚地说明了载荷 还可以增加多少或者必须减少多少程序还给出了包括单层可能失效模式等其它参考信息。 在分析夹层层板时，系统自动考虑面板的屈曲失效和芯材的剪切失效。层合板的最终承载标 准可以由层合板逐层失效分析( D e g r a d e dL a m i n
14、a t eF a i l u r e ，D L F ) 来预测。该分析方法假 第二届中国C A E 工程分析技术年会 定基体材料的失效裂纹沿着层板扩展。并在各层之间重新进行应力分配。 E S A C o m p 的层合板分析同样包括了材料性能和铺层方向的敏感性分析；具有圆孔和椭圆孔 的层台板孔板分析；复合材料在给定环境历史下的吸湿计算以及层合板三维有跟元分析时的 自由边效应。 E S A C o m p 板分析考虑的是一个用户指定四边约束支撑情况( 固定、简支或自由边) 的带加 强筋矩形板问题，加强筋形式包括T 型、工型、C 型以及Z 型等多种形式。在横向载荷分析中， 可以施加点载荷、压力及线
15、载荷，分析结果包括板的变形、失效裕度以及板整个面积上的可 能失效形式；可以定义板的面内载荷来进行屈曲分析；也可以确定板的第一固频。E S A C o m p 扳 分析使用内嵌的有限元求解器中的M i n d i n 板单元米对板进行求解。尤其是在夹层扳中起主 要作用的面外剪切变形也都加以考虑。E S A C o m p 程序的梁分析能力同板分析能力相似。可以处 理的粱截面类型包括层合扳夹层板，圆形、椭圆形、矩形和工形等横截面。 I ! S A C o m p 程序的胶接和机械连接分析可以预测连接处的载荷分布以及预测连接的承载能 力。尤其其胶接分析十分先进，它允许许多类型的载荷和边界条件组合以及
16、用非线性本构模 型的粘胶建模。 2 4 设计能力 层合板结构的设计通常是对不同材质、层厚度和铺层方式的组合进行试选找到合适的结 构构造。虽然材质组合和层合板铺层方式有无限多种可能，但是实际考虑通常局限在设计空 间的范围之内。例如，设计人员可以限制铺层角为0 ，_ - - _ 4 5 ，9 0 度，因为从生产加工的观点 来说，这是最佳选择而且往往产生接近于最优的设计方案。因此，设计的任务局限为从一些 材料备选方案中选择材料并确定每层厚度以及不同方向层的比例。E S A C o m p 程序分析同数据 银行以及许多结果数据估计的方法一起支持该种类型的交互式设计方法( 图4 ) 。 图4E S A C o m p 可以用来比较备选层合板设计方案的图形结果显示 E S A C o m p 软件中也包括针对层合板设计的被称作“设计工具”的更严格方法。 它们是相逆的问题求解器，对用户所定义的设计问题寻找一个答案。设计目标通 过对某个层合板的重要设计属性的约束和目标进行设计说明来定义。“层合板评估 工具”在被选层合板中间搜索满足具
