航空復(fù)合材料發(fā)展對(duì)CAE提出的新挑戰(zhàn)

2016-12-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在過去幾十年里復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞以及高度的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)越性能越來越多的被應(yīng)用在航天、航空、汽車、兵器、電子等行業(yè)。特別是在全球面臨能源危機(jī)和環(huán)境問題的今天,以碳纖維增強(qiáng)樹脂材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料,以其較傳統(tǒng)玻璃鋼更為優(yōu)越的力學(xué)性能幾乎成為了航空材料發(fā)展的不二選擇。特別在高度追求燃油經(jīng)濟(jì)性的民用航空領(lǐng)域,越來越多的新型民用客機(jī)選擇大量使用先進(jìn)復(fù)合材料以減輕飛機(jī)重量。復(fù)合材料的用量甚至可以被視為是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)。根據(jù)JEC2011年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)于大多數(shù)工業(yè)國(guó)家,人均復(fù)合材料占有量與人均GDP之間都呈現(xiàn)了明顯的單調(diào)遞增關(guān)系。我國(guó)雖然從復(fù)合材料使用的總量上已經(jīng)名列前茅,但同其他很多工業(yè)指標(biāo)一樣,人均占有量仍較發(fā)達(dá)國(guó)家有一定的差距。

航空復(fù)合材料發(fā)展對(duì)CAE提出的新挑戰(zhàn)前沿制造技術(shù)圖片1

各國(guó)人均復(fù)合材料占有量vs人均GDP(來自JEC)

但新材料的使用對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)方法的沖擊同樣值得關(guān)注。波音公司的B787型客機(jī)的復(fù)合材料使用量達(dá)到了50%,較B777型(12%)有大幅度提升,但這也使得B787的設(shè)計(jì)周期達(dá)到了7年,較B777的設(shè)計(jì)周期還延長(zhǎng)了兩年。由于復(fù)合材料在材料性能、工藝方法、質(zhì)量穩(wěn)定性等諸多方面與鋁合金材料相距甚遠(yuǎn),很多傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)都不得不被修正甚至摒棄,從而使設(shè)計(jì)工作更加依賴實(shí)驗(yàn)。對(duì)比80年代和2000年之后設(shè)計(jì)一架飛機(jī)所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)量可以發(fā)現(xiàn),雖然對(duì)于整機(jī)實(shí)驗(yàn),所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)量沒有改變,但針對(duì)材料許用范圍標(biāo)定和典型結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)增加了約20倍,這大幅度提高了新機(jī)型設(shè)計(jì)的周期和成本。顯而易見,如何減少物理樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)量是縮短復(fù)合材料飛機(jī)設(shè)計(jì)周期的關(guān)鍵。

航空復(fù)合材料發(fā)展對(duì)CAE提出的新挑戰(zhàn)前沿制造技術(shù)圖片2

80年代飛機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)量VS2000年飛機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)量

幾乎與復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用同時(shí),基于有限元法和有限體積法的計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)同樣走過了蓬勃發(fā)展的幾十年。而這種時(shí)間上的巧合也注定了CAE技術(shù)在復(fù)合材料應(yīng)用上的重要使命。

基于經(jīng)典層合板理論的結(jié)構(gòu)有限元技術(shù)是目前最成熟、使用最廣泛的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真方法。在過去20年里幾乎所有的使用了復(fù)合材料的飛行器都或多或少的使用了這種分析手段。目前絕大多數(shù)商用有限元分析軟件包中也都包含了這種技術(shù)。這種技術(shù)在分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度和線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)方面曾經(jīng)為飛機(jī)設(shè)計(jì)提供了很多重要的依據(jù),然而隨著材料開發(fā)的多樣化和材料應(yīng)用的深化,基于層合板平面應(yīng)力條件的層合板理論的局限性越來越多的被暴露出來。

首先,隨著材料發(fā)展的多樣化,復(fù)合材料的門類得到了前所未有的擴(kuò)充。短切纖維增強(qiáng)樹脂材料以其低成本和易成型的特點(diǎn)在非結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域大行其道;炭黑顆粒被用于提高飛機(jī)的輪胎剛度;SiC/Ti材料被用于制造新型的高強(qiáng)度航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,SiC/Al材料則以其耐磨性被大量用于航空剎車片的制造;為改善層間性能和降低工藝成本,三維編織材料及其對(duì)應(yīng)的RTM工藝正在逐漸替代部分層合板材料;而更多較碳纖維性能更優(yōu)異的硼纖維和碳納米管正躺在世界各國(guó)的實(shí)驗(yàn)室中躍躍欲試。而這些新材料都無不超出了經(jīng)典層合板理論的分析范圍。因此應(yīng)用對(duì)象更廣的復(fù)合材料性能預(yù)測(cè)方法和結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)將逐漸成為層合板理論的重要補(bǔ)充。

其次,在過去幾十年里,航空復(fù)合材料應(yīng)用經(jīng)歷了從非結(jié)構(gòu)件到副承力間再到主承力件的發(fā)展過程,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所需承受的工況條件越來越苛刻,同時(shí)新型飛機(jī)的減重設(shè)計(jì)要求越來越高,這些都迫使飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作在向著更加逼近材料使用極限的方向發(fā)展,這都對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)提出了更高的要求。然而一方面由于復(fù)合材料的失效形式種類繁多,包括纖維斷裂、樹脂開裂、纖維拔出、層間開裂等諸多模式,而這些都發(fā)生在比層合板理論的最小單元層更小的尺度上,而另一方面層合板理論的諸多強(qiáng)度準(zhǔn)則無一不基于單向板的面內(nèi)拉壓實(shí)驗(yàn)得出,在綜合載荷條件下并不完全適用,這些都導(dǎo)致目前基于層合板理論的強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法精度不高,且嚴(yán)重依賴結(jié)構(gòu)形式和載荷情況,甚至對(duì)于簡(jiǎn)單的試樣試驗(yàn)仍不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)斷裂極限。針對(duì)這些問題,在層合板理論的基礎(chǔ)上很多新的仿真模型被提出,例如描述材料損傷的漸進(jìn)損傷模型、模擬裂紋擴(kuò)展的虛擬裂紋閉合技術(shù)、模擬層間開裂的多層粘接模型等,波音和空客更是結(jié)合細(xì)觀力學(xué)方法開發(fā)了Onset模型和MLT模型,但問題仍然未被根本解決。

最后,復(fù)合材料的統(tǒng)一模型是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真領(lǐng)域始終在追求的目標(biāo)。CAE技術(shù)的價(jià)值在于在物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)之前,發(fā)現(xiàn)可能存在的問題,因此其典型應(yīng)用場(chǎng)景是根據(jù)工況條件分析當(dāng)前的設(shè)計(jì)方案可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效情況,然而,對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu),這個(gè)過程往往是恰恰相反的。由于復(fù)合材料的失效模式繁多,往往需要預(yù)先知道材料的失效模式,之后建立對(duì)應(yīng)的仿真模型(例如用多層粘接模型模擬分層失效)以再現(xiàn)結(jié)構(gòu)的失效。在剛度方面,由于纖維在軸向壓縮條件下會(huì)發(fā)生微觀的屈曲(實(shí)際上是彎曲,由于纖維的分布并非完全均勻,因此纖維周圍的應(yīng)力環(huán)境并不平衡),因而復(fù)合材料在軸向壓縮條件下會(huì)體現(xiàn)出與軸向拉伸截然不同的非線性性能,在分析之初需要預(yù)先知道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以便選擇對(duì)應(yīng)的材料模型。這些都是與CAE技術(shù)的應(yīng)用初衷相悖的,若要使結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)更好的輔助航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作,復(fù)合材料的統(tǒng)一模型是最終的發(fā)展方向。

航空百年,仿真五十載。在過去的半個(gè)世紀(jì)里,航空工業(yè)與CAE技術(shù)共同見證了諸多技術(shù)的進(jìn)步。面對(duì)新材料帶來的技術(shù)革命,CAE技術(shù)仍將克服諸多技術(shù)難題,繼續(xù)承載航空工業(yè)走向未來。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才