仿真是通過模型來模擬現(xiàn)實系統(tǒng)中發(fā)生的過程，其本質是將物理化學公式模型進行代碼化表示，并借助計算機實現(xiàn)計算求解。仿真在離散制造和流程制造業(yè)中廣泛使用，能夠幫助工程師加速產(chǎn)品研發(fā)和測試，提高正向研發(fā)效率。

復合材料鋪層結構設計復雜、固化過程影響因素多，甚至存在某些結構在工藝上難以實現(xiàn)的問題。傳統(tǒng)成型復合材料構件方法為試錯法，即在工藝人員經(jīng)驗和工藝試驗的基礎上對構件模具結構、型面以及固化工藝規(guī)范進行反復調整或補償加工，從而滿足設計要求。這種方法耗時費力，對大型復雜復合材料結構難以適用。隨著計算機技術、有限元技術的發(fā)展，以及復合材料基礎理論體系的完善，虛擬仿真技術得到飛速發(fā)展。目前，國內(nèi)外眾多企業(yè)和研究機構針對復合材料構件制造各個環(huán)節(jié)的理論問題進行研究，并試圖用各種物理模型和數(shù)學模型進行制造過程描述來實現(xiàn)設計制造一體化，從而完成對產(chǎn)品設計結構、工藝參數(shù)及模具結構的優(yōu)化。近年來，多種復合材料設計、分析軟件被相繼開發(fā)并應用到復合材料的設計、分析與制造過程，推動了復合材料在航空工業(yè)的發(fā)展。

常用復合材料仿真軟件 利用仿真技術，對復合材料構件的制造過程進行數(shù)值模擬，可以分析模具與復合材料構件受熱是否均勻、 基體樹脂是否固化完全、構件內(nèi)部殘余應力分布以及脫模后回彈變形情 況，有助于工程師在設計之初就考慮到構件在制造過程中可能遇到的問題，從而縮短研制周期、降低制造成本。

目前，國內(nèi)外常用的主流仿真軟件如圖 1 所示，下面將常用的幾種軟件進行介紹。

Laminate Tools 是英國 Anaglyph 公司旗下的一款集復合材料設計、分析和制造于一身的商業(yè)軟件。該軟件由顯示、設計、分析、檢查以及制造工藝 5 個基本模塊組成，尤其是其檢查模塊，可以快速便捷地讀取 ANSYS、Patran/Nastran、ABAQUS 等有限元軟件的結果文件，進而根據(jù)計算結果進行問題修改。該軟件可以實現(xiàn)復合材料構件從鋪層設計到制造信息輸出的完整流程。目前 Laminate Tools 在國外復合材料產(chǎn)品 制造過程中已廣泛應用，包括航空、 汽車、船舶以及風能等領域。AW189 直升機復合材料進氣道的設計制造過程就是采用了該軟件，有效減少了二次裝配連接的費用，縮短了研制周期。

VISTAGY 公司開發(fā)了復合材料設計軟件 FiberSIM，該軟件支持復合材料零件從概念設計到制造的整個過程，允許設計人員同時在產(chǎn)品設計、材料、結構以及工藝過程約束之間進行權衡分析，并且可以集成于 CATIA、Pro/E 和 UG 等三維造型軟件中。利用該軟件可以進行復合材 料構件的工程設計、曲面展開、鋪層以及結構工藝性分析等，并通過相應的接口將這些信息傳遞給自動下料機、激光鋪層定位系統(tǒng)以及纖維鋪放設備等，基本可以覆蓋復合材料整個 工藝設計流程。FiberSIM 軟件將傳統(tǒng)的復合材料制造過程中依賴模線-樣板的傳遞方式轉變?yōu)橐詳?shù)字量 為主導的傳遞方式，這也體現(xiàn)了并行工程的理念思想。目前該軟件在西飛、成飛、沈飛等幾大主機廠得到大量應用，并取得了滿意的效果。

ESAComp 軟件由歐洲航天局資助，最初由芬蘭赫爾辛基大學于20世紀 90 年代開發(fā)，具有在初始設計 階段指導材料種類選擇、夾層結構設計、鋪層方式設計的能力。該軟件具有強大的銜接功能，提供了同多種主流 CAE 軟件，如 ABAQUS、ANSYS、 MSC 以及 NASTRAN 等軟件的接口，方便地為復合材料結構有限元分析提供準備，并能對有限元計算結果進行詳細的后處理。其軟件材料庫中包含了上千種材料，不僅包含有航空航天材料，還包括許多其他工業(yè)級的常用材料。全球有超過 150 家公司和研究機構在使用該軟件，包括空客、寶馬以及西門子等企業(yè)。

CATIA CPD 也是常用的復合材料設計軟件，該軟件為用戶提供了豐富的使用功能，包括鋪層生成、復合材料分析、工程制圖定義、制造模型定義、曲面轉化以及可制造性分析等。波音公司在國內(nèi)生產(chǎn)的波音 737、747、 787 系列飛機的翼身整流罩、內(nèi)襟翼以及空客 A380的機身段、尾翼段以及襟副翼的設計與制造均采用 CATIA CPD 模塊數(shù)字化設計制造完成。目前該軟件在國內(nèi)幾大主機廠得到了廣泛應用。

ESI集團是世界上領先的數(shù)值仿真軟件供應商，其產(chǎn)品主要應用在產(chǎn)品的制造工藝仿真以及評價產(chǎn)品 在使用環(huán)境中的表現(xiàn)，通過不斷減少 試驗樣機的數(shù)量，從而降低生產(chǎn)成本、縮短研制周期。通過與眾多大學、 研究所及航空航天企業(yè)的合作，ESI公司開發(fā)了用于復合材料設計與制造工藝仿真的產(chǎn)品，包括 SYSPLY、 PAM-RTM、PAM-FORM、PAM[1]AUTOCLAVE、PAM-DISTORTION 等。

SYSPLY 是用于設計、分析和優(yōu)化復合材料結構的專業(yè)軟件，可以幫助工程師加速設計和驗證復合材料構件，并可實現(xiàn)大部分建模過程的 自動化，完成各種靜 / 動力學問題、 熱力學問題、屈曲分析以及大變形問題的分析。利用 SYSPLY，設計人員在零件制造之初就掌握復合材料構件的力學特性。

PAM-RTM 軟件可以針對樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）工藝的樹脂充模過程進行仿真，該軟件幾乎可以模擬所有的 RTM 工藝，并且操作簡單、計算迅速。

PAM-FORM 可以處理層合板成型、紡織纖維成型以及塑料片材成型等過程的仿真，適用于預浸料、紡織物、紡纖維等材料的熱成型、沖壓成型以及滾壓成型等。

PAM-AUTOCLAVE 軟件和 PAM[1]DISTORTION 軟件主要用于解決熱壓罐內(nèi)空氣流動、傳熱以及預浸料的固化、回彈等問題，利用該軟件可以優(yōu)化工裝結構及固化工藝參數(shù)，有效降低產(chǎn)品試驗次數(shù)。

目前 ESI公司的復合材料軟件已在空客、波音、成飛等飛機制造廠商得到了廣泛應用。CMT 公司的 COMPRO 軟件為用戶提供了使用“虛擬制造”方法來實現(xiàn)對復合材料構件成型過程的仿真，可以實現(xiàn)熱化學-樹脂流動 -化應力的綜合模擬，用以評估工藝參 數(shù)及結構設計對產(chǎn)品質量的影響。CMT 公司與波音公司進行了密切合 作，目前該軟件已成功應用在波音 747、767 和 777 飛機的研制中。

RTM-Worx 仿真軟件是荷蘭 Polyworx 公司研發(fā)的用于模注工藝流動仿真軟件，該軟件經(jīng)過 20 年的 發(fā)展，其操作更為簡單、計算更為快捷、功能更為強大，為只具備 RTM 工 藝知識而未經(jīng)有限元方法專業(yè)培訓的工程師提供了方便。與其他 RTM 軟件相比，該軟件可將一維線單元、 二維殼單元和三維四面體單元混合使用，且所需的網(wǎng)格數(shù)量更少，求解速度更快。目前，該軟件已在航空、軍工、建筑等行業(yè)的復合材料設計制 造領域得到了廣泛應用，如在 NH90 直升機起落架、飛機復合材料翼盒等 零件的制造中就使用了該軟件。

CADWIND 是由 MATERIAL 公司專門為復合材料纖維纏繞工藝所開發(fā)的仿真軟件。相比于其他纖維纏繞軟件，該軟件界面友好，完全圖形化，可實現(xiàn)纏繞線型生成和纖維纏繞過程的三維動態(tài)仿真，且具備2軸 至6軸纏繞機的纏繞仿真和加工程 序輸出。該軟件同樣具有與主流有 限元軟件相結合的接口，從而進行結構的力學分析。將該軟件集成到復 合材料虛擬制造系統(tǒng)中，工程人員就可以在遠離纏繞機的情況下完成對纏繞工藝參數(shù)的優(yōu)化。

隨著復合材料在各個領域應用比重的增大以及設計制造一體化要求的提出，針對復合材料構件制造過程中各種問題的研究已成為復合材料研究熱點之一。采用數(shù)值模擬的方法針對復合材料制造過程進行仿真分析是降低復合材料構件制造成本、縮短研制周期的有效途徑。隨著國內(nèi)制造企業(yè)對于虛擬仿真技術的重視以及人才培養(yǎng)力度的加大，仿真技術今后必將在復合材料領域發(fā)揮更大作用。目前 現(xiàn)有的復合材料仿真模型仍存在不足，如何完善仿真模型、提高模擬精度，使其能更加有效地應用到復合材料構件實際生產(chǎn)中是今后國內(nèi)外學者需要研究的重點問題。

參考資料

[1]元振毅,王永軍,蔡豫晉,等.復合材料制造過程仿真技術綜述[J].航空制造技術,2017(04):47-53.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.04.047.