(旧)复合材料数值模拟技术
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3
Multiscale Nature of Composite Materials Features of composites
material
Composites structure
4
Multiscale Nature of Composite Materials
10 1m
100m
-2
10 m
成型过程机理
几何造型
理论模型
计算方法
计算程序
参量测试方法 边界条件
后处理显示
结果分析 实验验证 指导工艺、优化工艺参数
17
（1）热传导/固化反应过程数值模拟
热 （1）包括各类铺层材料和模具等在内的成型组合系统 传 内部的热传导； 递 （2）热压罐内加热单元对制件和模具的加热。
理论模型
面向制造的设计（DFM）：制造缺陷与成本的预估——从概念设 计到细节设计
12
复合材料数值模拟技术
复合材料制造过程数值模拟
Finite element analysis and simulations of manufacturing process of composites and their Mechanical properties: a bibliography (1985~2003). Jaroslaw Mackerle (Sweden), 2004. Computational Materials Science. References:954 papers, conference proceedings and these/dissertations
14
热压(罐)成型过程数值模拟
（1）主承力结构大量应用； （2）传热方式：包括各类铺层材料和模具等在内的
成型组合系统内部的热传导； （3）加压方式：罐内气压，抽真空
15
热压(罐)成型过程数值模拟
热压罐成型
热传递
固化反应
树脂流动 纤维密实
制件 质量
孔隙产生与消除
固化变形
16
热压(罐)成型过程数值模拟
7
Multiscale Nature of Composite Materials
AIM-C Program（2001－2004）American
全Biblioteka Baidu寸
部件
次部件
元件
传
材料
(试验为主)
统 6‐8年
15000试验
全尺寸验证
未
材料参量
来
(模拟为主)
2‐3年
1500试验
保保障障可可靠靠性性，，降降低低结结构构重重量量，，提提高高结结构构效效率率
13
复合材料数值模拟技术
二十世纪前人类认识世界的两种手段
做试验，靠经验 建立数学物理模型（大多是偏微分方程），做理论分析
二十世纪出现的第三种手段
由电子计算机求解数学物理模型的数值仿真与数值试验
有限元法、有限体积法是数值求解偏微分方程的最重要的数值方法 获得数值解——方程的近似解，区别于解析解 数值解的验证是保证数值模拟有效性的关键； 数值模拟是可视化实验过程，揭示内在机制的有效手段
含界面相的复合材料性能分析 单向板基本性能 层合板关键使用性能 层合板湿热性能演化
复合材料虚拟设计 基于性能预测的反向结构、材料、界面设计
11
复合材料数值模拟技术
复合材料结构制造与数值模拟
在设计早期对制造缺陷与成本进行科学、定量的评估，确保设计 方案的可制造性与可生产性。
7E7
Nanocomposites 10- 9m
10- 6m
-4
10 m
5
Multiscale Nature of Composite Materials
6
Multiscale Nature of Composite Materials
Full-scale analysis
Transmission and relationship between the micro- to vehicle scale
复合材料层合板与开孔试片 基于解析单胞模型（GMC）的多尺度算法 损伤模式，强度
含缺陷试片压缩强度 基于解析单胞模型（GMC）的多尺度算法
10
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
微观尺度 纤维/树脂界面相形成 纤维/树脂界面相表征 纤维/树脂界面粘结强度
8
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
提供科学、全面、可靠的评价结果，避免过大设计冗余，支撑 复合材料结构的高效设计。
开发与应用虚拟测试方法，是风险管理与取证方法的最新发展 趋势
9
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
复合材料单向板 纤维、基体、界面三相模型（代表性体积元，RVE） 刚度、强度、强度包络线
《材料科学与工程前沿》
复合材料数值模拟技术
李艳霞
2012.5.9
1
提纲
¾ 数值模拟在复合材料领域应用 ¾ 典型工艺过程数值模拟 ¾ 应用案例
2
Materials Genome Initiative 材料基因组计划
2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿 美元的“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership, AMP)计划，而“材料基因组 计划”（Materials Genome Initiative, MGI）是AMP计划 中的重要部分之一，其目标是帮助美国企业发现、开 发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍，缩 短先进材料从开发到推广应用的时间。从而促进美国制 造业的复兴，保持美国的全球竞争力。
以“材料科学系统工程”为主题的S14次香山科学会议 2011年12月21日~12月23日在北京举行在北京举行。 会议名誉主席、两院院士师昌绪说：“发展制造业，材 料是基础，计算材料科学有很强的生命力。”
“材料基因组工程”与“人类基因组工程”类似，通过高通量的第一性原理计算，结合已 知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组 分，晶体/分子结构和各种物性的数据库，并利用信息学、统计学方法，通过数据挖 掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息，拓宽材料筛 选范围，集中筛选目标，减少筛选尝试次数，预知材料各项性能，缩短性质优化和测 试周期，预先规划回收处理方案，从而加速材料研究的创新。
Multiscale Nature of Composite Materials Features of composites
material
Composites structure
4
Multiscale Nature of Composite Materials
10 1m
100m
-2
10 m
成型过程机理
几何造型
理论模型
计算方法
计算程序
参量测试方法 边界条件
后处理显示
结果分析 实验验证 指导工艺、优化工艺参数
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（1）热传导/固化反应过程数值模拟
热 （1）包括各类铺层材料和模具等在内的成型组合系统 传 内部的热传导； 递 （2）热压罐内加热单元对制件和模具的加热。
理论模型
面向制造的设计（DFM）：制造缺陷与成本的预估——从概念设 计到细节设计
12
复合材料数值模拟技术
复合材料制造过程数值模拟
Finite element analysis and simulations of manufacturing process of composites and their Mechanical properties: a bibliography (1985~2003). Jaroslaw Mackerle (Sweden), 2004. Computational Materials Science. References:954 papers, conference proceedings and these/dissertations
14
热压(罐)成型过程数值模拟
（1）主承力结构大量应用； （2）传热方式：包括各类铺层材料和模具等在内的
成型组合系统内部的热传导； （3）加压方式：罐内气压，抽真空
15
热压(罐)成型过程数值模拟
热压罐成型
热传递
固化反应
树脂流动 纤维密实
制件 质量
孔隙产生与消除
固化变形
16
热压(罐)成型过程数值模拟
7
Multiscale Nature of Composite Materials
AIM-C Program（2001－2004）American
全Biblioteka Baidu寸
部件
次部件
元件
传
材料
(试验为主)
统 6‐8年
15000试验
全尺寸验证
未
材料参量
来
(模拟为主)
2‐3年
1500试验
保保障障可可靠靠性性，，降降低低结结构构重重量量，，提提高高结结构构效效率率
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复合材料数值模拟技术
二十世纪前人类认识世界的两种手段
做试验，靠经验 建立数学物理模型（大多是偏微分方程），做理论分析
二十世纪出现的第三种手段
由电子计算机求解数学物理模型的数值仿真与数值试验
有限元法、有限体积法是数值求解偏微分方程的最重要的数值方法 获得数值解——方程的近似解，区别于解析解 数值解的验证是保证数值模拟有效性的关键； 数值模拟是可视化实验过程，揭示内在机制的有效手段
含界面相的复合材料性能分析 单向板基本性能 层合板关键使用性能 层合板湿热性能演化
复合材料虚拟设计 基于性能预测的反向结构、材料、界面设计
11
复合材料数值模拟技术
复合材料结构制造与数值模拟
在设计早期对制造缺陷与成本进行科学、定量的评估，确保设计 方案的可制造性与可生产性。
7E7
Nanocomposites 10- 9m
10- 6m
-4
10 m
5
Multiscale Nature of Composite Materials
6
Multiscale Nature of Composite Materials
Full-scale analysis
Transmission and relationship between the micro- to vehicle scale
复合材料层合板与开孔试片 基于解析单胞模型（GMC）的多尺度算法 损伤模式，强度
含缺陷试片压缩强度 基于解析单胞模型（GMC）的多尺度算法
10
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
微观尺度 纤维/树脂界面相形成 纤维/树脂界面相表征 纤维/树脂界面粘结强度
8
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
提供科学、全面、可靠的评价结果，避免过大设计冗余，支撑 复合材料结构的高效设计。
开发与应用虚拟测试方法，是风险管理与取证方法的最新发展 趋势
9
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
复合材料单向板 纤维、基体、界面三相模型（代表性体积元，RVE） 刚度、强度、强度包络线
《材料科学与工程前沿》
复合材料数值模拟技术
李艳霞
2012.5.9
1
提纲
¾ 数值模拟在复合材料领域应用 ¾ 典型工艺过程数值模拟 ¾ 应用案例
2
Materials Genome Initiative 材料基因组计划
2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿 美元的“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership, AMP)计划，而“材料基因组 计划”（Materials Genome Initiative, MGI）是AMP计划 中的重要部分之一，其目标是帮助美国企业发现、开 发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍，缩 短先进材料从开发到推广应用的时间。从而促进美国制 造业的复兴，保持美国的全球竞争力。
以“材料科学系统工程”为主题的S14次香山科学会议 2011年12月21日~12月23日在北京举行在北京举行。 会议名誉主席、两院院士师昌绪说：“发展制造业，材 料是基础，计算材料科学有很强的生命力。”
“材料基因组工程”与“人类基因组工程”类似，通过高通量的第一性原理计算，结合已 知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组 分，晶体/分子结构和各种物性的数据库，并利用信息学、统计学方法，通过数据挖 掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息，拓宽材料筛 选范围，集中筛选目标，减少筛选尝试次数，预知材料各项性能，缩短性质优化和测 试周期，预先规划回收处理方案，从而加速材料研究的创新。