航空復合材料發(fā)展對CAE提出的新挑戰(zhàn)

2016-12-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

在過去幾十年里復合材料以其高比強度、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞以及高度的可設計性等優(yōu)越性能越來越多的被應用在航天、航空、汽車、兵器、電子等行業(yè)。特別是在全球面臨能源危機和環(huán)境問題的今天,以碳纖維增強樹脂材料為代表的先進復合材料,以其較傳統(tǒng)玻璃鋼更為優(yōu)越的力學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濟性的民用航空領域,越來越多的新型民用客機選擇大量使用先進復合材料以減輕飛機重量。復合材料的用量甚至可以被視為是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。根據(jù)JEC2011年的統(tǒng)計結果,對于大多數(shù)工業(yè)國家,人均復合材料占有量與人均GDP之間都呈現(xiàn)了明顯的單調遞增關系。我國雖然從復合材料使用的總量上已經名列前茅,但同其他很多工業(yè)指標一樣,人均占有量仍較發(fā)達國家有一定的差距。

航空復合材料發(fā)展對CAE提出的新挑戰(zhàn)前沿制造技術圖片1

各國人均復合材料占有量vs人均GDP(來自JEC)

但新材料的使用對飛機設計方法的沖擊同樣值得關注。波音公司的B787型客機的復合材料使用量達到了50%,較B777型(12%)有大幅度提升,但這也使得B787的設計周期達到了7年,較B777的設計周期還延長了兩年。由于復合材料在材料性能、工藝方法、質量穩(wěn)定性等諸多方面與鋁合金材料相距甚遠,很多傳統(tǒng)的設計經驗都不得不被修正甚至摒棄,從而使設計工作更加依賴實驗。對比80年代和2000年之后設計一架飛機所需的實驗數(shù)量可以發(fā)現(xiàn),雖然對于整機實驗,所需的實驗數(shù)量沒有改變,但針對材料許用范圍標定和典型結構性能的實驗增加了約20倍,這大幅度提高了新機型設計的周期和成本。顯而易見,如何減少物理樣機的試驗數(shù)量是縮短復合材料飛機設計周期的關鍵。

航空復合材料發(fā)展對CAE提出的新挑戰(zhàn)前沿制造技術圖片2

80年代飛機設計實驗數(shù)量VS2000年飛機設計實驗數(shù)量

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

基于經典層合板理論的結構有限元技術是目前最成熟、使用最廣泛的復合材料結構仿真方法。在過去20年里幾乎所有的使用了復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。這種技術在分析復合材料結構的結構剛度和線性動力學響應預測方面曾經為飛機設計提供了很多重要的依據(jù),然而隨著材料開發(fā)的多樣化和材料應用的深化,基于層合板平面應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,復合材料的門類得到了前所未有的擴充。短切纖維增強樹脂材料以其低成本和易成型的特點在非結構件領域大行其道;炭黑顆粒被用于提高飛機的輪胎剛度;SiC/Ti材料被用于制造新型的高強度航空發(fā)動機葉片,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應的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的實驗室中躍躍欲試。而這些新材料都無不超出了經典層合板理論的分析范圍。因此應用對象更廣的復合材料性能預測方法和結構仿真技術將逐漸成為層合板理論的重要補充。

其次,在過去幾十年里,航空復合材料應用經歷了從非結構件到副承力間再到主承力件的發(fā)展過程,復合材料結構所需承受的工況條件越來越苛刻,同時新型飛機的減重設計要求越來越高,這些都迫使飛機復合材料結構的設計工作在向著更加逼近材料使用極限的方向發(fā)展,這都對復合材料結構的強度預報提出了更高的要求。然而一方面由于復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度準則無一不基于單向板的面內拉壓實驗得出,在綜合載荷條件下并不完全適用,這些都導致目前基于層合板理論的強度預測方法精度不高,且嚴重依賴結構形式和載荷情況,甚至對于簡單的試樣試驗仍不能準確預報斷裂極限。針對這些問題,在層合板理論的基礎上很多新的仿真模型被提出,例如描述材料損傷的漸進損傷模型、模擬裂紋擴展的虛擬裂紋閉合技術、模擬層間開裂的多層粘接模型等,波音和空客更是結合細觀力學方法開發(fā)了Onset模型和MLT模型,但問題仍然未被根本解決。

最后,復合材料的統(tǒng)一模型是復合材料結構仿真領域始終在追求的目標。CAE技術的價值在于在物理樣機實驗之前,發(fā)現(xiàn)可能存在的問題,因此其典型應用場景是根據(jù)工況條件分析當前的設計方案可能導致的結構失效情況,然而,對于復合材料結構,這個過程往往是恰恰相反的。由于復合材料的失效模式繁多,往往需要預先知道材料的失效模式,之后建立對應的仿真模型(例如用多層粘接模型模擬分層失效)以再現(xiàn)結構的失效。在剛度方面,由于纖維在軸向壓縮條件下會發(fā)生微觀的屈曲(實際上是彎曲,由于纖維的分布并非完全均勻,因此纖維周圍的應力環(huán)境并不平衡),因而復合材料在軸向壓縮條件下會體現(xiàn)出與軸向拉伸截然不同的非線性性能,在分析之初需要預先知道結構的受力狀態(tài)以便選擇對應的材料模型。這些都是與CAE技術的應用初衷相悖的,若要使結構仿真技術更好的輔助航空復合材料結構的設計工作,復合材料的統(tǒng)一模型是最終的發(fā)展方向。

航空百年,仿真五十載。在過去的半個世紀里,航空工業(yè)與CAE技術共同見證了諸多技術的進步。面對新材料帶來的技術革命,CAE技術仍將克服諸多技術難題,繼續(xù)承載航空工業(yè)走向未來。

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