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Skinner Creative公司的Michael L. Skinner 先生就2006年3月在JEC复合材料展期间展出的部分软件进行了评述。

2006年3月举行的巴黎JEC复合材料展览会上,参展的900多家展商中,很多公司的产品中包括复合材料行业用软件。这些软件包括:可与现有计算机辅助设计(CAD)联合设计的软件包、层合结构设计和分析软件、有限元分析(FEA)软件、结构优化软件、树脂传递模塑成型(RTM)软件、预算软件及其它软件产品。这些软件中,很多是源于复合材料市场的高科技航空领域的需求,但目前这些程序的优势正逐步渗透到其它应用中,如汽车、船舶、风能等领域。下面介绍展会中的一些重要软件。

VISTAGY公司
为突出他们在汽车和航空领域内的顾客,VISTAGY公司在JEC的展台上展出了一辆雷诺F1车队赛车。VISTAGY的FiberSIM * (软件已经为雷诺F1车队服务了三代赛车,用来改进复合材料构件的设计和制造,这其中就包括2005年在国际汽联(FIA:Fédération Internationale de l'Automobile)一级方程式车赛中取得车手和制造商双项世界冠军的R25型赛车。车队的CAD技术支持工程师Alan Duerden先生,还做了《冠军车、复合材料构件和FiberSIM》的专题演讲。
位于英格兰Enstone的世界冠军车队雷诺F1车队继续使用FiberSIM软件,设计和制造R26赛车的复合材料部件。2006年1月,R26赛车在摩纳哥投入使用。雷诺F1车队完全隶属于总部位于巴黎的雷诺公司。
“赛车上的复合材料部件必须坚固、可靠,而且必须按照严格的国际汽联标准制造。”雷诺F1车队的技术总监Bob Bell先生说,“但我们的生产进度也非常紧,不允许出错,也没有时间重做,或预先制造一辆原型车。我们使用FiberSIM已经有三年多,它帮助我们的工程师将复合材料铺层的铺敷速率提高了62%甚至更高。该软件是我们高效成功生产复合材料构件的重要工具。”
VISTAGY公司总裁兼CEO Steven C. Luby先生说:“我们很荣幸在过去三年,特别是在雷诺F1车队去年的冠军赛季,一直作为他们的赞助商。我们期待继续与雷诺F1车队合作,为其提供专业软件,使他们的工程师能够以更高的效率迈向下一个胜利。”
高强轻质的复合材料是制造一级方程式赛车部件(诸如底盘、前鼻翼、和前后翼子板等)理想材料。这些构件复杂的曲线特征,给制造过程带来一定的难度。借助于FiberSIM,雷诺F1车队的工程师可以模拟复合材料设计,并选择出适用于其特定用途的制造方案。该软件还可以生成剪切机用层合板平整模型、创建文档,以及向激光投影机输出数据来指导手工铺叠过程。
FiberSIM将商业CAD系统转化成专门用于复合材料构件设计和制造的工具。在三维模拟环境中,工程师可以使用此软件建立复合材料部件完整的数字产品定义。FiberSIM支持整个产品开发过程,还有多种材料的灵活设计方法和制造方法。该软件可以模拟复合材料在复杂曲面上的变形,产生制造信息,这些信息包括文档、平展模型和驱动下游生产设备所需要的数据。FiberSIM还通过XML(标准可扩展标记语言)技术与业内人士分享复合材料数据及应用程序。
FiberSIM可与Catia V5、Pro/Engineer 2001& Wildfire,以及Unigraphix NX CAD系统共同工作。它支持包括手糊、模塑、预浸带铺覆及纤维铺放等技术在内的大多数复合材料生产工艺。
VISTAGY公司称,FiberSIM的最新版本5.1版,具有以下三个基本优点:
◆ 在产品开发过程的早期实现自动化。在制造大型或复杂复合材料部件时,工程师使用FiberSIM帮助他们设计和检验层合结构、分块、铺层及铺层顺序。该软件具有一些新功能,可以在产品开发过程中更早实现设计方法的自动化,提高了复合材料部件的生产效率。例如,使用新的“模型合并”功能,工程师可以将自动生成的模型(如飞机机身)快速、自动地分成几个独立的模型,并在后期处理中再将它们合并。这样,很多工程师就可以同时制造一个大型复合材料产品,从而大大缩短开发时间。软件的“对称层合功能”可先生成一个模型(如飞机的复合材料左翼),然后使用所有数据自动生成相对应的右侧结构,即右翼,这样可节省几个小时的人工设计时间。
◆ 为优化各种复合材料产品开发过程而专门设计的功能。复合材料设计如果不能适应特定的制造工艺,在经济上是行不通的。新的自动叠层设计(Automated Deposition Designtm:ADD)选项可自动生成复合材料产品的几何形状,特别适用于预浸带铺覆或纤维铺放等制造工艺,对大型构件来说,可以节省数周的手工劳动。FiberSIM 5.1为铺层铺敷以及预浸带铺覆和拼接提供了独特的工具来优化复合材料设计,使得下游生产更加快捷。此外,软件的存档功能也有所增强。
◆ 创建完整产品定义,支持下游生产。工程师可以使用驱动下游生产必需的所有资料和数据,创建完整的复合材料设计定义。采用XML可以很容易地实现完整数据的业内共享。因此,工程师可以了解设计细节的历史和背景,这样有助于减少下游可能出现的错误,获得理想的产品质量和,并达到规范要求,而且,与传统工艺相比节省了许多时间。
“在产品开发的初期,通过对多数重复或复杂的复合材料设计任务实现自动化,FiberSIM 5.1可以帮助工程师选择最优的产品设计和制造方法,从而缩短工艺周期,降低成本。” VISTAGY公司负责产品研发副总裁Bob Flory先生说,“因此,我们的顾客在竞争中占有极大的优势。”
VISTAGY软件被广泛应用在航空、汽车、船舶、医疗、体育用品和交通内饰件行业。该公司还提供培训和咨询服务。

Anaglyph公司
Anaglyph有限公司拥有以下几种复合材料软件产品:Laminate Tools、CoDA和LAP。
Laminate Tools是一款经济型、基于Windows操作系统的软件,集复合材料结构设计、分析和制造功能于一体。CoDA可辅助面板、梁、接头、法兰和层合板的初步工程设计,还可以根据机械性能要求合成复合材料。CoDA是复合材料小组在位于英格兰的国家物理实验室研发出的一款产品。LAP软件的功能是对复合材料层合板进行深入的分析和设计。
Laminate Tools最新的3.1版,在Windows操作系统下运行,可以用CAD系统提供的信息定义表面,然后模拟材料的铺敷。它可以用有限元分析(FEA)软件的前处理器(目前支持Nastran或Ansys的有限元系统)来输入有限元网格,然后用复合材料织物铺敷所有表面,直至得到整个结构的铺层。它可以将铺层信息转化为适于有限元分析的层合材料性能,也可以在有限元分析中调用铺层信息。它还可以采用复合材料的特有方式对有限元分析结果进行后处理,如检查各个层合板的功能,然后,软件将这些铺层信息用于制造过程——输出平整的铺层模型用来铺叠合剪切,或者在制造过程中,将铺层轮廓投影(用激光设备)在模具表面。
Laminate Tools还能够在设计过程中显示、评估和核实结构性能,并实现不同部门或转包商之间信息的数字交流。
Laminate Tools是模块化的软件,共包括五个模块。显示模块具有只读显示功能,工程师可以方便、深入地检查和理解复合材料设计。其它他四个模块:设计、分析、校核和制造进一步扩展了产品功能,他们可以建立单层和铺层材料信息、建立有限元层合性能、检查有限元应力结果、生成失效指标、输出铺层模型,并可以与第三方应用程序进行信息交流。
“Laminate Tools的用户来自航空业、一级方程式赛车和汽车业、船舶以及风能等领域,”Anaglyph的董事总经理George Kretsis博士说,“我们开发了Laminate Tools,将价格定位在小公司也能用得起的范围内。这样,我们就将前沿的航空技术有效地推广到了所有认真的复合材料专业人士手中。采用行业标准格式,并与现有的知名产品100%兼容,我们的用户可以参与到逐层设计、分析和制造的模拟技术中来。”
“采用其它方案(铺敷、有限元分析界面、显示后处理、电子铺层手册、激光投影等)来完成Laminate Tools所具有的功能,费用要以十倍来计。”Kretsis博士说,“而且,所有的功能都由一个产品、一个供应商来提供。”

ESI 集团
ESI集团在JEC展台上展出的是他们的复合材料软件产品:SYSPLY、PAM-RTM和PAM-FORM。SYSPLY是一款模拟工具,用于设计多种铺层形式构成的复合材料结构。PAM-RTM则用于模拟树脂注射纤维增强材料的制造工艺,即树脂传递模塑(RTM)。PAM-FORM是一款模拟塑料和复合材料热成型的软件。
ESI集团的用户Poncin Yachts正在开发和生产9~15米长的现代化帆船,他们将高性能的计算机控制工具引入到树脂传递模塑和真空灌注成型中,来制造复合材料船体和甲板。借助于PAM-RTM软件,可以为采用闭模工艺的复合材料生产线设计和开发新的加工手段。这一技术可以提高部件质量,获得非常光滑的产品表面。RTM和真空注射成型的结合可以保证树脂非常均匀地分布在模腔内部的各个角度,从而获得更高的刚度性能和恒定的重量。所有参数均由连接到传感器的自动化控制器管理,传感器可对温度、压力和体积等进行持续监测。
闭模工艺还具有保护环境和人类健康的优点。树脂在真空******射,因此任何由挥发性有机化合物(VOC)产生的有害或有毒物质都被封闭了,其排放率被降低到10 ppm以下,比2007年将要采用的欧洲标准还要低两倍。“利用PAM-RTM,Poncin Yachts公司在设计大型构件时,可以预测出潜在的制造问题,而这些问题是无法事先模拟的。”ESI集团复合材料解决方案负责人Patrick de Luca先生说。
自项目伊始,Poncin Yachts公司在10000 m2的现代化工厂上的投资已经超过1700万欧元,招募了170多人,建立了通常只有汽车和航空工业才会采用的生产和质量控制模型。该模型可降低成本,缩短开发周期,并通过24小时运转来优化工业生产能力。
Polyworx公司
Polyworx的RTM-Worx软件是一款基于Windows操作系统的程序,采用有限元方法(FEM)来求解控制树脂流经多孔介质的物理方程。只具有RTM工艺知识而未经有限元方法专业培训的工程师也能够对部件和工艺进行优化。RTM-Worx结合了有限元/控制体计算的核心算法和面向目标的用户界,非常快速、可靠、功能强大而且精确。软件完整集成了几何编辑器、前后处理器和求解器。
Polyworx公司的Arjen Koorevaar先生指出了该软件的一些新特点:“最近的一些改进包括:在COMPROME项目中开发的SALT脚本界面,以支持模型上的实时在线控制;在EU STREP程序中,一种新型开放式文件格式WDX,用于大型复杂部件(如风机叶片)流动分析和优化的数据交换,以缩短输入模型的前期准备时间。

Galorath公司
Galorath公司的SEER-DFM是一款项目预算软件。与Airbus合作,Galorath公司荣获了去年JEC颁发的一项创新奖,Andrew Langridge先生在今年的JEC会议期间做了该软件在复合材料项目中的应用的演讲。
该软件支持大部分复合材料制造工艺——手糊、缠绕成型、编织和其它方法,还支持不同的固化和注射方法——高压釜、树脂传递模塑(RTM)、真空辅助注射成型(VARIM)和其它,还有标准的金属加工工艺。该软件可以根据产品劳动力、加工和材料成本预算出项目总成本、平均成本和单位制造成本。在制造工艺水平上,它还可以确定工艺的主导因素、部件原始重量和成品重量、关键工艺参数和它们对总成本的影响,以及设置、运行、重新加工、检测、材料和加工的成本。包括空客和波音及其许多供应商在内的众多主要航空业制造商都在使用该款软件。

Collier Research公司
Collier Research公司的HyperSizer * 是一款复合材料结构应力分析和尺寸优化软件。“HyperSizer可以自动连接到FEA系统上,例如用于系统研究结构件安全边际的检查的NASTRAN。” 软件的开发者兼公司总裁Craig Collier先生说,“该软件可以解决金属材料和复合材料中复杂的机械应力/应变和热应力/张力问题,并可以对板、梁和接头进行详细的失效分析。”
“对于终端用户来说,HyperSizer的关键优势之一是,它是第三代软件包,经过了几次彻底改正。”他说,“HyperSizer结合了我们公司、NASA、工业界和高等院校的方法和软件,我们将数百种分析方法囊括其中。HyperSizer用户界面友好,文档完备,且建立在完整的数据库基础之上。”
该软件在Windows 操作系统下运行,可生成Microsoft Word格式的应力分析报告。HyperSizer具有强大的图形处理功能,可以在有限元模型上显示出计算机化的结果,例如:最优板材方案和材料、安全边际、临界失效模式、临界载荷工况等计算结果。该软件还具有扩展功能,可以通过Microsoft COM和ActiveX与其他软件接口,而且用户可以根据客户的特定需要开发插件程序模块。
尽管HyperSizer广泛应用于NASA、波音、Lockheed Martin和许多其它航空公司,该软件也可用于其它结构。HyperSizer对ISO集装箱侧板在ISO规定中必须承载的三种载荷工况下进行了优化,尺寸和材料优化结果显示,采用某种面板方案和碳纤维材料制成的侧板可以降低80%的重量,优化后的质量为48千克,而相同的钢质侧板则重达247千克。如此显著的重量降低是以大量的强度和稳定性优化为基础的。
HyperSizer还可以自动确定以低成本玻璃纤维材料为原料的设计方案,该方案下,每块侧板重91千克。该低成本设计方案还提高了产品的损伤公差。

e-Xstream engineering公司
e-Xstream 工程公司的DIGIMAT * 是一款线性和非线性多尺度材料模拟软件。多尺度材料模拟包括在掌握材料微观结构的基础上理解和预测材料的宏观性能。DIGIMAT中场均化功能可以对非均质材料和/或各向异性材料(如复合材料)进行材料性能预测。
DIGIMAT和大部分的CAE软件(如Moldflow、3D-Sigma、Abaqus和Ansys)都有接口,通过考虑成品结构中工艺方法导致的材料微观结构,为多尺度材料和结构模拟提供了综合而有效的方法。
DIGIMAT输入材料的微观性能、微观结构和载荷等数据,而输出的复合材料性能则用于有限元分析或其它下游工艺。
DIGIMAT最典型和常见的应用之一是在工程塑料领域,用来模拟玻璃纤维增强热塑性注射成型部件的线性和非线性材料性能。在这些应用中,DIGIMAT考虑了由注射模拟软件预测到的纤维取向,在结构有限元分析软件中作为微观力学材料模型。
“我们的软件旨在解决材料比较复杂(比如:非线性、各向异性和/或非均质)和终端产品性能非常重要时所出现的所有问题。”公司的创始人之一Roger Assaker博士说,“现在,这包括对增强塑料制成的各种结构的模拟,软件可以精确预测翘曲(形状稳定性)、准静态刚度、振动响应、永久(塑性)变形和冲击(高速载荷)响应。现在我们正大力投资来模拟周期载荷和冲击载荷下的材料损伤和失效。”
e-Xstream engineering公司是比利时Louvain-la-Neuve市Louvain大学(UCL)的一个创新性公司。
e-Xstream 曾与汽车制造商合作分析长纤维注射成型部件的性能,也与其它制造商在纤维增强弹性体基复合材料领域进行过合作。
“微观力学材料模拟在科学领域是一个热门课题,但谁也没将它带到‘真实世界’中的非线性应用中。” Assaker先生说,“据我所知,我们工作在一个崭新的领域。”

Material公司
Material公司的软件Composite Star是复合材料材料和结构设计的数据库软件。它采用微观力学方法计算铺层性能;根据经典层合板理论(CLT)或网络分析(Netting Analysis)方法计算层合板的性能;计算新的标准失效准则、渐进失效模型下层合板载荷响应和失效;还有层合梁、层合管和层合板的性能、载荷响应和失效。
Composite Star中定义了一个恒定载荷和一个可变载荷。恒定载荷通常作为预加载荷(例如:固化产生的热载荷、外部静态机械载荷),可变载荷用于定义外部动态机械载荷。这样就可以计算出多大的外部动态载荷会导致失效。
Composite Star采用最新、最先进的逐层失效分析方法。除了标准失效准则(最大应力准则、最大应变准则、简单的Puck准则、改进的Puck准则、Tsai-Hill准则、Tsai-Wu准则、Hoffman准则、Hashin准则),Composite Star还引入了世界上最详细、最精妙的交互式准则:Puck的作用平面准则。该准则区分了不同失效模式(拉伸和压缩下的纤维断裂,拉伸、剪切和压缩下的纤维间断裂),计算纤维间断裂的失效平面角,可预测到突变的楔效应。
设计师的另一个重要工具是失效包络线、每一层恒定应力和可变应力向量的三维模型显示,设计师可以及时获得应力状态和临界层储备系数等信息。
全球的高等院校和工业研究实验室对Puck的作用平面失效准则和退化模型进行了充分测试,结果表明,该准则与实际情况非常吻合。而且,它还是VDI(德国工程师协会)2014准则中的新标准,受到德国Aachen市IKV(塑料工艺研究院)和世界领先的复合材料设计专家的推荐。
Composite Star也与许多有限元分析程序有接口,可以输入和输出有关纤维、基体、铺层、层合板、铺敷顺序、载荷或结构方面的任何数据。Composite Star将数据存储于最先进的、功能完备的数据库中。数据库具有广泛的搜索、过滤、排序和数据输入输出等等功能。数据库储存了纤维、基体、铺层、层合板、铺敷顺序、载荷和结构等数据信息,除了物理参数和工程参数,数据库中还可以储存批注和文字笔记。
Composite Star基于Windows的操作系统运行。Material公司还提供纤维缠绕软件和咨询服务。

展望
JEC展台上展出的大量多种软件说明,软件已经得到复合材料行业的认可,并且是必需的。大大小小的公司都在开发和使用越来越多的复合材料专用软件,用于设计和制造。软件公司正致力于将复合材料理论研究和实践研究成果统一到他们的软件产品中去,以提高复合材料产品质量、缩短开发周期,制成更大、更复杂的结构。
复合材料制造公司(其中很多是航空领域的先驱)日益认识到,利用复合材料软件的优势是确保自身在不断发展的行业中保持竞争力所必需的。