新时代下一体化的复合材料研发解决方案

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料的历史可以追溯到古代，民间沿用至今的稻草或麦秸混合增强粘土和建筑上使用的钢筋混凝土均由两种材料复合而成，都可以被称为复合材料。

一、概述

20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

先进复合材料具有高比强度、高比模量和性能可设计等特点，能有效地减轻飞机、航空发动机、导弹和航天器的结构质量，是高科技战略性材料研究和发展的重点。

2013年，全球的复合材料产品市场总额达到680亿美元，预计到2030年将增长至1050亿美元(数据来自英国复合材料市场研究报告)。欧美等国家发展复合材料的意图十分明显：英国*设立了国家复合材料制造研究中心，制定对中小型企业的支持，并计划投资5000亿欧元在基础建设上，打开国内复材市场，还为复材的规范和标准制订了新的法规；欧盟成立复合材料专家联盟，以促进复合材料的使用和新的应用；美国宇航局耗资1500万美元打造复合材料航空技术研究所；2017年，中国科技部制定了《“十三五”材料领域科技创新专项规划》，其中将“先进结构与复合材料”列为重点发展方向。

二、国内应用情况

国内先进复合材料行业刚进入成长期，在原材料制备、设计与工艺方面取得了一些技术突破，将在“中国制造2025”提出重点发展的十大领域中发挥重要作用。航天领域，固体火箭发动机已经实现复合材料化，卫星85%以上是用复合材料；航空领域，碳纤维复合材料在无人机、直升机、商用飞机、公务机等领域的用量也逐渐上升。在C919上，复合材料用量达到12%左右，应用于平尾、垂尾、后机身等重要部位；中俄远程宽体客机CR929对复合材料的应用要求更是提升至50%以上。

成就是瞩目的，但需正视的是，我们与国际先进水平仍存在较大差距。差距一方面体现在工程化应用水平，另一方面也体现在包括设计和制造的研发技术手段。新时代对复合材料关键技术的研究，需要为设计、分析和制造提供方便和一体化的研发环境。

三、国内复合材料设计分析方式存在的问题

当前国内航空复合材料数据在设计、分析和制造多个阶段、不同业务环节之间，数字量传递存在多个断点，需进行大量重构、转换等工作，导致研发效率大幅下降，在设计与仿真、工艺之间频繁交换数据过程中发生的错误层出不穷。同时，复合材料研发过程中，上下游数字量信息没有关联，上游更新无法驱动下游工作进行高效的开展。

图1 当前国内复合材料设计分析流程

3.1 复合材料设计数据脱节孤立

目前航空行业复合材料设计软件的选型多是达索CATIA V5与第三方复合材料铺层设计软件FiberSIM的搭配：由CATIA基础模块创建初始结构元素，然后由FiberSIM进行铺层设计，结构模型和铺层数据在两款软件中各自保存，在修改或审查时都需要两款软件之间的频繁切换。这样的设计方式，造成了设计过程脱节、设计数据结果孤立，例如MBD标注特征与几何实体没有关联，无法保证数据源的唯一性和正确性。

3.2 设计和分析数据传递存断点

复合材料设计数据传递给分析部门时，需要将铺层数据导出为EXCEL铺层表，分析部门根据CATIA设计模型和EXCEL铺层表在Patran或者Abaqus软件中建立仿真模型。以C919后机身前段某零部件为例，分析部门建立仿真模型需要2周的时间。分析部门通过Word报告和EXCEL铺层表将仿真优化后的结果反馈给设计部门，设计部门根据分析部门的意见和建议，在设计空间内对CATIA和FiberSIM的数据进行对应的修改。这种模式导致设计数据无法自动从设计环节传递到分析环节，数据在两个环节间的传递存在断点。

四、复合材料设计分析一体化研发模式和优势

在对国外先进的复合材料设计方法进行深刻的研究，国睿信维进一步探索和发展了适合中国企业现状的复合材料设计分析制造一体化解决方案。我们的解决方案具有以下优势：

图2. 国睿信维一体化的复合材料研发流程

4.1 设计数据相互关联

复合材料设计在CATIA同一个环境中进行，简便、直观，工程师无需来回切换以及识别铺层对应的区域；几何模型和铺层数据在同一个Part文件中保存；几何曲面和铺层数据相互关联，修改或审查是在同一个环境中进行，铺层数据更新后，对应的曲面区域将会自动做出更新。

4.2 数字量在设计和分析环境连续传递

分析时所需的铺层数据通过数据接口自动映射到Patran或Abaqus建立的网格模型上，实现了复合材料设计数据的自动传递。同时，仿真优化后的结果可以直接推送给设计部门，设计工程师在CATIA软件中直接查看建议修改的区域和铺层数据，并在设计空间内决定接受建议直接更新CATIA模型或在建议的基础上对局部区域作些修正。

图3：复合材料优化设计流程中数字量连续传递

五、复合材料设计分析一体化国内外先进应用案例

5.1空客A350XWB复合材料案例

空客A350XWB是最新研发生产的远程宽体客机，复合材料占结构比重达到了53%。空客公司从2008年开始在A350XWB飞机上，通过使用复合材料设计分析制造一体化方案成功实现了设计和生产的无缝对接，自动化，降低成本等诸多目标，为A350XWB飞机的研发生产做出了巨大的贡献。

图4： A350XWB复合材料设计分析一体化流程

5.2 中国商飞复合材料案例

中国商飞为提高ARJ21新支线飞机、C919大型客机复合材料用量，顺利实现中俄远程宽体客机复合材料研制目标，整合复合材料制造优势资源，突破关键技术发展，合并复合材料胶接车间、复合材料制造技术中心等部门，完成复合材料研制工作由交叉模式管理向单一模式管理的转变。管理模式的改变为研发模式的一体化提供了有力保障。经过连续几年的验证和推广，复合材料设计分析制造一体化解决方案在中国商飞多个部门得到了很好的应用。以某变厚度夹芯零件的验证项目为例，解决了原本Fibersim软件无法实现的复杂曲面位置的铺层定义问题，在建立分析模型时的所需时间也从2周减少到了1天，大幅提升了复合材料研发能力。

图5：共固化加筋壁板一体化的设计流程

六、总结

复合材料设计分析制造一体化解决方案，通过统一的模型载体，承接设计、分析、制造多个阶段的应用，一方面可以方便快捷又直观的进行设计与修改，另一方面复合材料数据连续传递，使得仿真分析和验证提高了效率，并有效推动了制造工艺设计与规划，编程及仿真等应用的开展。