模拟纤维增强复合材料。这是一个多尺度的世界。

复合材料，特别是纤维增强复合材料，提出了一个有趣的挑战。与均质材料相比，它们具有优越的性能，有潜力帮助工程师和设计师满足日益严峻的产品要求。然而，正确地设计它们可能是极其困难的。

要了解为什么这是如此，您需要仔细观察复合材料的结构。

复合材料是两种或两种以上成分材料的组合，它们在一起作用时，提供的性能与任何一种材料单独作用时明显不同。第一种材料是体积相，以连续的固体形式出现，通常是金属、陶瓷或聚合物。体相提供了复合材料的整体形状和结构。它通常也被称为连续相或矩阵。第二种及之后的材料是分散的、不连续的、相—通常是颗粒、薄片或纤维。这些也被称为离散相、夹杂物、填充物，或者，在结构复合材料中最常见的，增强体。离散相与矩阵相遇的区域称为界面。

术语“相”，在材料科学的语境中，是指一种材料具有不同的物理性质的组合。在大多数情况下，不同的相只是不同的物质，但不同的相也可以是相同的物质，只是结构不同。

可以创建针对各种性质优化的复合材料，包括电气，热，光学，电化学和催化剂。对于机械工程师，设计师和分析师，大多数兴趣的复合材料通常是针对机械性能优化的复合材料，例如强度，重量，刚性，韧性和耐用性。在这种类型的复合材料中，相对延展岩基质接受大表面积上的负荷，并将其转移到更强，更脆的加固上。

机械性能
复合材料的力学性能与其组成相的性能及其显微结构密切相关。增强体的体积、尺寸、形状和取向的差异会影响其与基体的耦合，并对复合材料的宏观性能产生显著影响。

可以使用连续力学技术来预测复合材料的机械性能。称为均质化的过程从组成阶段的性质开始，以及复合材料的代表体积元件的微结构模型（通常使用统计方法创建。）

均匀化有相当多的解析和数值方法。不同方法的适用性是一个最好留给材料科学家的课题，但TANSTAAFL(世上没有免费的午餐)的规则似乎适用。更快的方法倾向于使用简化的假设。越精确的方法在计算上越昂贵。

它是如何形成的
在实践中，复合材料的微观结构受到用于将其变成一部分的制造方法的强烈影响。对于许多最有趣的复合材料，在整个部分中获得最佳的微观结构可能具有挑战性。

碳纤维层压板提供了一个很好的例子。碳纤维本身是单轴，沿其纵向轴线具有非常高的机械性能。当与基质结合并作为层压材料制造时，它可以变为正交，准正向或各向异性，这取决于其铺设和装载的方式。将负载施加到不对称层压板，导致延伸，剪切，弯曲和扭曲之间的耦合，并导致不寻常的变形。制造变型，例如空隙和纤维对准的相对较小的变化（特别是与复杂的弯曲表面特别常见）可以降低复合材料的机械性能，难以预测方法。

不连续玻璃纤维增强热塑性元件的制造也具有挑战性。注射成型过程中固有的剪切对脆性纤维来说是很硬的，并倾向于破坏它们，扭曲它们的分布，并改变它们的排列。这导致了在整个部件体积中体积分数和纤维取向的差异。正如你可能推断的那样，它还会导致整个部件的机械性能的差异。较长的纤维更容易受到这种影响。他们对模具中的几何挑战也更加敏感，比如薄壁和焊缝。

通过ISO 527标准可以找到纤维取向造成的挑战的一个很好的例子，用于确定塑料和塑料复合材料的拉伸性能。该标准规定了用于创建和测试材料样本的过程 - 然而，当与非连续纤维增强材料一起使用时，似乎没有办法确定样品将具有特定的纤维取向（特别是最多的方向可用于认识，例如相对于施加的负载的纵向，横向和随机取向。）基于该测试计算的材料特性可能会过度或下方预测自己的部件。

由于复合材料的性能不像同质材料那样可预测，许多制造商通过对原型进行广泛的物理测试来确定其合格。在具有重要工艺诱导材料性能的情况下，了解复合材料部件在真实环境下的性能所需的物理测试水平可能会非常昂贵和耗时，以至于不切实际。除此之外，如果没有精确的材料性能，设计师就无法优化复合材料的设计，而必须诉诸于过度设计，这将破坏使用复合材料进行设计的目的。

这个问题的最佳解决方案是将物理测试与仿真相结合。

第一个近似
叠层复合材料模拟的标准方法是从特种软件开始的开始，例如ANSYS Composite Preppost，Siemens PLM FIBERSIM，或Autodesk Helius：Composite Pro。

但是，对于纤维增强的模制复合材料，没有这样的特种软件。模拟这些零件的最常见起点是使用标准FEA程序，并使材料是各向同性的简化假设。这允许您为年轻的模数使用单个值。在项目的早期设计阶段，这种近似比没有好。无论是足够好的还是完全误导，部分取决于您选择的价值是否合理。

问题是知道什么是合理的价值。有几种方法可以做到这一点:使用树脂供应商提供的值，使用拆卸因子，进行一些材料测试来计算一个等效的各向同性值，或者找到材料科学家并询问他们。

无论您在第一次近似模拟中使用什么杨氏模量值，重要的是要记住，它不会是100%准确的。这是因为零件的机械性能不可能在整个零件中是均匀的。

开始了解这些部件的工艺特性的一个好方法是进行注塑模拟，使用软件计算纤维取向和其他分布特性。Autodesk Moldflow、Moldex3D和其他几个造型模拟程序都具有这种能力，但可能需要额外的软件来将这些信息传递给有限元求解器。

有限元模拟耦合成型的方法有较好的结果，但仅限于静态线弹性分析。它不考虑材料的非线性特性，不能用于瞬态分析、特征频率分析或极限强度预测。

复合材料模拟的最新进展是多尺度建模，其中宏观结构分析(FEA)与微观结构建模相耦合，以计算材料的局部特性。这种方法可以支持多种材料模型(包括非线性材料、弹性材料、弹塑性材料、粘弹性材料和热弹性材料)，以及几乎任何形式的多物理模拟。最著名的多相复合材料微观结构建模工具是MSC软件公司e-Xstream工程部门的Digimat。

你需要多少模拟?
如果你在产品中使用复合材料，可能有一些好的原因，比如重量或强度。做得不好，既麻烦又费钱。

虽然可以进行第一次近似(各向同性)或第二次近似(线性各向异性)模拟，但这些都不足以预测复合材料组件的真实行为。模拟复合组件的唯一可靠方法是通过多尺度建模。它确实需要几个步骤来超越各向同性假设，但这是正确合成的入门成本。

ansys.
www.ansys.com

西门子PLM
www.plm.automation.siemens.com.

欧特克
www.autodesk.com

Moldex3D
www.moldex3d.com

MSC软件
www.mscsoftware.com

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标记:Autodesk.，西门子PLM，MSC软件，有限元分析软件，Moldex3D

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