(整理)复合材料设计与分析软件的介绍

复合材料设计与分析软件的介绍
1 引言
复合材料以其高强轻质、性能各向异性和结构可设计性等特点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。

但复合材料铺层结构设计较为复杂，性能分散性大，这些问题和缺陷使复合材料的进一步推广应用遇到了阻碍。

为解决上述问题，多种复合材料设计、分析软件被开发、运用于复合材料的设计和制造中，大大的方便了复合材料的分析、设计过程，本文介绍Larrunate Tools、ESAComp、SYSPLY、FiberSIM四种软件的主要优越性及其在复合材料分析、设计过程中所发挥的作用。

2 Laminate Tools软件(简称LT)
Laminate Tools是由英国Anaglyph软件公司推出的独具特色的一教软件，它集复合材料结构设计、分析和制造于一身，Laminate Tools由显示、设计、分析、检查以及制造工艺5个功能模块组成，分别涵盖了三维模型可视化显示、材料铺层等信息建立与编辑、层合板性能生成、商业化有限元软件结果可视化检查以及制造工艺信息及下料图形的输出。

Laminate Tools主要功能：
2.1 显示模块
显示模块的界面如图1所示。

图1 显示模块界面
Laminate Tools可以读取包括：行业标准*.Layup文件，NASTRAN的*.nas、*.bdf及*.fem等输入文件，Ansys 的*.cdb文件，FiberSIM的*.fml数据文件，以及CAD的STL格式文件；以多种模式和多视角显示模型网格，有透视图、剪切视图、拾取视图、印刷视图等；Larrunate Tools的显示模块能够显示材料特征，覆盖和量化使用方法；显示单层覆盖、纤维取向、铺覆图案、平面样板图、边界、材料、物理和铺覆特征和源于每层的铺层；显示偏移定义；显示厚度分布；显示每个有限元层合特性细节。

2.2 设计模块
Laminate Tools的设计模块能够创建和修改材料、单层、偏置和铺层，处理结构中所有与复合材料相关的问题；并可使用子层，以隔开结构部件；铺覆选择，包括开口、同一单层中不同部分铺覆顺序、织物尺寸限制和种子曲线限制等，以跟随特定结构特征。

2.3 检查模块
该模块能提供快速和便捷的有限元分析结果后处理。

读取ANSYS结果文件（*.rst）进行后处理；在不需要有限元重新求解的前提下对整个铺层结构进行小的修正和交互显示重分配层的应力和失效计算；通过逐层的单元厚度、输出应力和失效指数等的曲线，清楚标识出重要应力分量和问题点；输出原始全局层的任意结果曲线，让载荷路径显得清晰和正确的解释优化策略；检查模块能够使设计师立即领会任何工况（或多工况）对层合复合材料结构的影响，能够快速圈定危险点范围，识别问题，快速评估校正方法，并且采取正确行动，如图2所示。

图2 过载区域检查
2.4 分析模块
分析模块可以写入包括所有层合板信息的NASTRAN或者ANSYS格式的输入文件，也即转换铺层信息到有限元特性，为分析做准备。

基于设计模块创建的铺层信息，或者从*.Layup文件直接读取，或者通过FiberSIM的文件（设计模块）导入，创建层合板特性数据进行有限元分析。

2.5 制造模块
该模块主要功能包括：导出到模具表面以用于CAD；处理多种已存在的平面样板图铺覆在模具上，支持有限宽度重叠窄条的创建并导出到CAD系统；导出表格格式的完整或者部分单层信息表，以及单层铺覆的图表和特征，可以输出到标准HTML格式（网页浏览格式），以达到最大兼容性，或者针对公司的特定定制导出到微软WORD（可选）格式。

Laminate Tools桥接了复合材料设计、分析和制造的整个流程，强大的可视化功能使其在审核设计和查明材料特性需要审杏的问题区域时极具使用价值，创建复杂层合板的功能使其在处理大量铺层信息时极其有用，创建并输出单层信息表的功能使其在逐层检查和铺层可视化上极具优势。

3 ESAComp软件
ESAComp是由芬兰赫儿辛基大学轻型结构材料实验室，开发的一款专业复合材料设计、分析软件，它具有基于微观力学分析的广泛的实体/夹层板分析、设计能力，而且包含了针对单层板、层压板、加筋板、梁和柱体，以及胶接和机械连接等等各种复合材料结构形式、连接形式的分析工具。

ESAComp主要功能：
3.1 分析功能
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。

ESAComp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，见图3。

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
3.2 设计功能
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。

ESAComp程序分析同数据库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。

3.3 衔接功能
ESAComp程序提供了同主流有限元ABAQUS、ANSYS、I-DEAS、MSC.Nastran和NISA的双向交互界面（见图4）。

ESAComp支持有限元程序中的层壳单元。

对于一些有限元软件包，ESAComp同样支持其使用普通的壳单元。

在这种情况下，ESAComp程序输出层合板刚度矩阵而不是材料数据和铺层方式。

有时使用有限元软件的实体模型对层合板结构进行非常详细地分析。

3.4 扩展功能
此功能中用户可以使用CLIPS语言来定义附加的失效准则和微观力学模型；通过批处理模式在其它软件中运行；ESAComp具有友好的图形化用户界面，多重分析和图形化结果显示，多级别的专业数据库，而且有强大的层合板分析功能；专业的复合材料设计能力；成熟的有限元接口和完备的失效准则。

图4 针对ANSYS程序的ESAComp交互界面
4 SYSPLY软件
SYSPLY是由COMPOSIC公司开发的一款软件，它能够提高复合材料制品的结构分析能力，可使大部分的建模过程自动化，用户只需对各层面进行工作而不必考虑个别独立因素，SYSPLY能观察层压材料等应力图，以及检视层间分离现象。

它是设计、分析和优化复合材料结构的专业软件。

SYSPLY主要功能：
4.1 CAD数据输入/输出和网格划分
SYSPLY内嵌的网格划分器能自动读入外部的CAD数据，并进行快速的几何清理和几何修复能自动生成2D 和3D网格，并以ASCⅡ格式输出，可以对节点和单元进行分组，称为sub-groups，边界条件和载荷条件可以定义在这些sub-groups上，以后的计算变成网格无关，可以在同一个有限元输入中反复使用。

4.2 复合材料的设计优化
SYSPLY的多物理场后处理能力为深入了解铺层的力学特性提供了方便。

通过膜、弯曲和扭转模块可以研究特定的载荷条件。

多重失效准则法能提供各个连续层的等效应力值，通过显示沿厚度方向的应力值（图5），设计人员可以快速找到危险区域，然后可以得到每一层的临界失效结果。

图5 应力值显示
SYSPLY求解器提供了广泛的处理能力，包括：线性力学（壳和实体）、非线性力学（仅壳）动力学分析。

SYSPLY 的铺层编辑器通过一个等效力学特性的连续显示来生成一个图形化的铺层布置序列。

铺层是通过单层板或子铺层来建立，没有层数目限制。

单层板的详细信息可以马上检查，而层板在某一点的堆叠可以通过横截面来显示，如图6。

图6 SYSPLY铺层编辑器
4.3 用户友好和流程驱动的特点
SYSPLY简化了材料和几何的关联，通过包含自动铺层和卷绕选项来集成加工过程。

在结构上层板的方向与铺层方向解耦，两者都可以在壳元上用图形显示。

SYSPLY专门的有限元算法，广泛的单元种类使得用户可以在设计过程的每个阶段采用恰当的方法；多层2D和3D单元；包含各种耦合效应的横向剪应力计算；2D和3D单元网格组合。

SYSPLY使工程师可以在复合材料进行复杂加工前，方便地计算其铺层特性，诸如纤维缠绕，铺层等。

它可以帮助企业加快设计流程，并通过减少材料浪费和样机测试数目来达到降低成本的目的。

5 FiberSIM软件
FiberSIM是由美国VISTACY公司设计开发的一款复合材料设计软件，它独有的复合材料仿真技术支持整个复合材料的工程过程。

使用FiberSIM软件，工程师能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题并采取相应的纠正措施。

从初步设计、详细设计直至制造车间，在FiberSIM的帮助下，设计师很容易创建准确的设计、工程图以及相关的数据，并实现整个过程中的转换。

FiberSIM主界面如图7。

FiberSIM主要功能
图7 FiberSIM主界面
5.1 采用模型树形式
通过专有的层次树有组织、分层次地组织复合材料数据，可精确表达复合材料零件特征，用户可定义复合材料设计过程的每步的必要信息，并可观察所有层以及层合板的总体信息。

这种清晰的有组织的复合材料数据的表达形式，可使用户方便定义及修改复合材料数据。

5.2 具有全局编辑功能
具有全局编辑功能，编辑ACEE数据。

如用户需要改变200个区域的材料和方向，使用全局编辑功能可以同时对200个区域进行操作，而无需逐个去更改。

5.3 强大的材料库及完善的数据接口
软件材料库包括很多信息，如：材料宽度、厚度、变形警告角度、极限角度、结构形式（单向或编织）、弹性模量、泊松比、剪切模量等。

可以方便对材料库进行增加和修改材料。

它还包含多种数据接口，无需第三方软件进行数据转换，就可以向分析、制造等软硬件设各传输数据，保证了数据的准确性。

FiberSIM是一个可以实现复合材料数字化设计制造一体化的软件，它与CAD软件紧密集成，实现了设计和分析自动化，生成制造工程信息和驱动激光投影仪、自动切割机、纤维铺放设备的数据，覆盖复合材料整个工艺设计过程，为复合材料的设计和制造提供全面的解决方案。

6 结语
不同的复合材料设计、分析软件都具有其自身的优越性，因此正确的选择一款适合自己的设计、分析软件就显得尤为重要，以上四种复合材料设计、分析软件都拥有直观友好的用户界面，强大的分析功能，使工程师在进行复合材料的设计和分析时更为方便，值得企业大范围的推广和使用。