CAE在複合材料結構分析的應用
複合材料概述及應用狀況
複合材料不僅保持了增強材料和基體材料本身的優點， 而且通過不同材料組合性能的互補，獲得優異的性能。 複合材料具有強度大、剛度高、抗疲勞性能好、各向異性、以及材料性能可設計的特點，可以獲得顯著的減重效益，並改善結構性能。目前，聚合物結構複合材料、 聚合物隔熱燒蝕複合材料、碳纖維材料、陶瓷複合材料 以及納米複合材料都在汽車、航太工業等有特殊需求的領域獲得了廣泛的應用。如圖2所示複合材料在加工領域的應用價值。
在航空領域，如F-111的水平穩定器是世界上第一個通過適航條例的複合材料零件、A380與旅行者號則完全 採用複合材料製造，其整體框架（不包括燃油）的重量僅為整體框架外加燃油總重量的9%。是世界上首個中 途不需加油，能夠連續飛行9天的航空器。如首圖所示。
複合材料在賽車上的應用，經常會出現超過2000層、 100000個元素的模型，大部分的F1團隊都在使用MSC Nastran/Patran/Laminate-Modeler 幫助他們快速完成不同複合材料的設計計算。其好處在於使用者能夠 實現快速與精準的結構分析模型建立、與加工製程連接、評估不同工況的強度或破壞分析等，如圖1所示。
複合材料在船舶行業的應用也很廣泛，例如： America’s Cup Yacht，總重量超過 25 噸，壓艙物重20噸(占到約80%)，桅杆質量330公斤，吊桿質量 60公斤，甲板質量1700公斤，鰭板質量1000公斤。 包含了上千個鋪層。在利用CAE做性能提升的輔助設 計工作上，如果採用專業的 MSC Laminate Modeler 工具，可以節約90%的時間；其最大的優勢在於： 鋪層是完全基於實際製程的方式與順序，能夠實現自 動化迭層定義，可以進行失效分析，因為CAE的工作 效率提高而得以進行最佳化設計。如圖3所示。
複合材料在綠能領域也有著廣泛的應用。例如：風機 葉片，通常總長度會超過40米，葉片的大型化必然 要求輕量化、低成本化和高性能化，採用複合材料能 夠有效地實現上述的要求；提高局部屈曲穩定性和顫 振性能。如圖4所示。複合材料在其他行業也得到了 廣泛的應用。例如安全頭盔、夾層建築等。如圖5所 示。
CAE在復合材料結構分析領域的功能和應用
在進行複合材料CAE分析時，通常需要經歷初步設計 階段和詳細設計階段：
初步設計階段：根據結構的要求和設計載荷等進行初 步的複合材料佈局、分區、選材分析。
在初步設計階段，MSC公司的Patran針對使用者在 其他CAD軟體中構建的幾何模型提供了多種讀寫格 式接口設置，其中包括IGES, Parasolid, STEP, CATIA, Pro/Engineer, Unigraphics 等大型商用 CAD 軟體的 接口；可以靈活的選擇不同的分析求解器；如圖7所 示，Patran具有強大的結果後處理功能；具有方便易 學的Patran命令語言開發工具PCL，方便用戶實現各 種不同整合環境的分析需求。另外，Patran可以與其 他第三方復合材料前處理軟件如fibersim接口，在數 據交換的過程中不會出現數據的遺漏。
與此同時，Patran 的 Laminate Modeler 模組能夠用 於輔助迭層複合材料結構的設計、分析、和製造。它 提供了產生精確的迭層材料數據的方法，材料數據可 輸出到任何Patran支持的求解器。它允許工程師和 設計師直觀的進行鋪層設計，只需選擇某個幾何區域 及其所用的鋪層特性即可。鋪層特性包括每一單層的 初始方向及材料數據。在鋪層的定義中確定纖維的方 向。圖6為Laminate Modeler在Sikorsky S-92直升 機建模與分析方面的應用。
詳細設計階段：可以對鋪層層數、鋪層厚度及鋪層角 進行設計分析，詳細分析每層複合材料的覆蓋區域、覆蓋開始點、材料方向、覆蓋褶皺、覆蓋時纖維應 變、可以考慮各向異性、層間剪切、損傷等性質求 解。 MSC產品在復合材料分析領域提供了先進強大 的求解器，包括：MSC Nastran、Marc、Dytran。結 構分析作為複合材料開發過程中不可或缺的必要組成 部分，已經成為主流有限元分析軟體的基本功能。目 前針對複合材料的分析進一步集中到瞭如何縮短分析 流程耗費的時間以及實現更多分析功能上。以此來滿 足相關業者日益增長的需求。在詳細設計階段，MSC Nastran能夠滿足用戶對複合材料進行各種線性和非 線性的結構分析需求。其中包括：
1）、複合材料的疲勞失效分析
確定和評價複合材料在交變載荷作用下的性能（損傷 和破壞等）是複合材料工程應用必須考慮的問題。大 量研究結果表明，複合材料具有優異的疲勞性能，而 在交變載荷的作用下，複合材料通常表現出非常複雜 的破壞現象。複合材料本身存在有基體開裂、界面脫 膠乃至分層等破壞現象。
MSC Nastran可以實現逐步失效分析PFA(Progressive Failure Analysis），可用於復合材料破壞分析。可以 預測複合材料纖維或樹酯本體破壞以及體結構的層間 分離和失效。針對各種失效的形式，包括：正軸拉伸 纖維損傷（圖7 a.）、正軸壓縮纖維損傷（圖7 b.）、 橫向拉伸疲勞纖維損傷（圖7 c.）、橫向壓縮疲勞纖 維損傷（圖7 d.）、面內剪切疲勞纖維損傷（圖7 e.）。 如圖7所示。
MSC Nastran中可以通過各種失效準則判斷失效， 其 中 包 括：Maximum principal stress、Maximum principal strain、Hoffman、Hill、Tsai-Wu、Hashin （Tape and Fabric）、Puck 等。 圖 8 為 應 用 MSC Nastran進行漸進疲勞失效分析的案例。模型定義了 7層複合材料，承受拉伸載荷。進行PFA分析，在各 層全部失效後元素的強度就不再被考慮。圖9顯示了 不同時刻的Failure index。圖10為剛性橢圓柱撞擊 複合材料殼體的分析實例，模型包含5層材料，採用 Puck失效準則與漸進失效選項，計算外層材料的損 傷。
2）、複合材料的脫層損傷分析
複合材料的損傷包括使用損傷和環境損傷。其中，使 用損傷有劃傷、擦傷、邊緣損傷以及沖擊引起的分層、 脫膠、凹痕和穿透性損傷等。環境損傷包括雷電衝擊 引起的表面燒蝕和分層；冰凍/熔化引起的濕膨脹和 熱衝擊造成的分層、脫膠；夾心結構水分侵入引起的 分層等。結構發生損傷對整體的承載能力有嚴重的影 響。因此，準確的模擬複合材料的損傷、脫層等破壞 就顯得尤為重要。 Marc提供了用於模擬複合材料損 傷、斷裂分析、裂紋萌生和擴展的功能。用戶可以指 定判斷準則，使用法向應力和切向應力等進行判斷， 當判據滿足 [σ_n/S_n ]^m+[τ/S_t ]^n>1 時，自動將 網格進行分割。如下頁圖11所示，上下兩層材料之間 不存在重複節點，在進行脫層分析時，上下兩側結構 對應的網格實現了自動分割。
MSC 產品在復合材料分析應用的成功案例
案例1： Alenia Aeronautica: 義大利阿萊尼亞航空航天公司使用 MSC Nastran 針對 A/C CFRP Vertical Fin 進行 優化分析計算，設計目標為6個，定義10個邊界條件， 變量類型包括鋪層形狀 ply shape、鋪層角度 angle ply、鋪層厚度 thickness ply。模型中包含 180 不同 的鋪層形狀，300多個鋪層角度，最終目的實現減重 5%。經過分析計算，在採用不同的鋪層角可實現最大 減重 12.6%。如圖 13 所示。結構變形如圖 14、15、 16、17所示。
案例2： Eurocopter Deutschland GmbH( 歐洲直升機公司德 國部) 針對複材板結構採用Dytran進行了跌落過程的機身 撞擊模擬。透過對模擬結果與試驗數據進行了對比發 現，CAE模型能夠與真實模型有很好的吻合，這樣就 可放心用CAE模擬取代大量的實驗測試。■
