先進的復(fù)合材料分析軟件—Laminate Tools

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先進的復(fù)合材料分析軟件—Laminate Tools
CAEDA編譯
一、前言
復(fù)合材料擁有輕質(zhì)高強、性能各向異性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計性等特點，在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛。但復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，性能分散性大，工藝質(zhì)量不夠穩(wěn)定，這些問題和缺陷使復(fù)合材料的進一步推廣應(yīng)用遇到了阻礙。為解決上述問題，多種結(jié)構(gòu)、力學(xué)分析軟件及工藝模擬仿真軟件被開發(fā)、運用于復(fù)合材料的設(shè)計和制造中，英國Anaglyph軟件公司推出的Laminate Tools（簡稱LT）就是其中獨具特色的一款。
作為一款在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下運行的復(fù)合材料分析軟件，Laminate Tools的革命性在于它集復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和制造于一身，專注復(fù)合材料從設(shè)計、分析、檢查到制造的整個結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，由此關(guān)聯(lián)了不同學(xué)科，并吸收了從1991年以來被全世界復(fù)合材料專家所證實的核心技術(shù)，從而超越了現(xiàn)有許多產(chǎn)品只關(guān)注一個特定領(lǐng)域的特性。與此同時，極低的性價比又使它成為一款大多數(shù)用戶都買得起的軟件。因此，從2002年1月推出第一個版本起，隨著版本的不斷提高、功能的不斷增強，Laminate Tools越來越成為一款設(shè)計師和分析師都不能忘記的優(yōu)秀產(chǎn)品。
二、Laminate Tools功能介紹
Laminate Tools由顯示、設(shè)計、分析、檢查以及制造工藝5個功能模塊組成，分別涵蓋了三維模型可視化顯示、材料鋪層等信息建立與編輯、層合板性能生成、商業(yè)化有限元軟件結(jié)果可視化檢查以及制造工藝信息及下料圖形的輸出。以下分別對上述各功能模塊進行介紹：
1、    顯示模塊
該模塊是Laminate Tools的核心，其他模塊要想發(fā)揮功能必須借助該模塊。顯示模塊的界面如圖1所示，其功能如下：
（1）    讀取各種各式的文件，包括：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)*.Layup文件，NASTRAN的*.nas 、 *.bdf 及* .fem等輸入文件，Ansys的*.cdb文件，F(xiàn)iberSIM的 *.fml數(shù)據(jù)文件，以及CAD的STL格式文件；
（2）    顯示模型特征的分級視圖，并立即顯示樹形節(jié)點的相互關(guān)系；
（3）    以多種模式和多視角顯示模型網(wǎng)格，有透視圖、剪切視圖、拾取視圖、印刷視圖等；
（4）    顯示材料特征，覆蓋和量化使用方法；
（5）    顯示單層覆蓋、纖維取向、鋪覆圖案、平面樣板圖、邊界、材料、物理和鋪覆特征和源于每層的鋪層；
（6）    顯示偏移定義；
（7）    顯示從層建立的鋪層特性；
（8）    顯示每個有限元層合特性細(xì)節(jié)；
（9）    顯示厚度分布；
（10）    觀看、輸出和打印細(xì)部信息，下到每個單元。

圖1 顯示模塊界面
2、設(shè)計模塊
設(shè)計模塊的界面如圖2(a)、(b)所示，該模塊功能如下：
（1）    創(chuàng)建和修改材料、單層、偏置和鋪層，處理結(jié)構(gòu)中所有與復(fù)合材料相關(guān)的問題；
（2）    使用子層，以隔開結(jié)構(gòu)部件；
（3）    通過被測試驗證過的鋪覆模擬算法來進行單層的創(chuàng)建和修改，通過Simulayt鋪層技術(shù)來使用從1991年來全世界數(shù)以萬計的復(fù)合材料專家所證明了的核心技術(shù)；
（4）    鋪覆選擇，包括開口、同一單層中不同部分鋪覆順序、織物尺寸限制和種子曲線限制等，以跟隨特定結(jié)構(gòu)特征；
（5）    導(dǎo)入FiberSIM的 *.fmd (*.fml 目錄)文件，以便能讀入單層信息到已存在的網(wǎng)格，從而創(chuàng)建整個結(jié)構(gòu)層；
（6）    導(dǎo)入PlyMaster的電子表格數(shù)據(jù)，以便自動創(chuàng)建已有網(wǎng)格的鋪層；
（7）    可以保存成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件格式。

(a) 鋪層創(chuàng)建

(b) 鋪層數(shù)據(jù)導(dǎo)入與修改
圖2 設(shè)計模塊界面
3、檢查模塊
該模塊是Laminate Tools的一個強大的部分，能提供快速和便捷的有限元分析結(jié)果后處理。該模塊功能如下：
（1）    讀取NASTRAN軟件的結(jié)果格式文件(*.op2, *.f06)進行后處理；
（2）    讀取ANSYS結(jié)果文件(*.rst)進行后處理；
（3）    輸出每層每個工況的應(yīng)力曲線，或者多層組成一組/或者多種工況和處理最差值（包線）；
（4）    輸出每層或者層界面的NASTRAN失效指數(shù)結(jié)果；
（5）    使用大量的失效理論（包括用戶自定義的），基于導(dǎo)入的有限元應(yīng)力結(jié)果，創(chuàng)建失效指數(shù)、安全裕度或者預(yù)留因子，可以基于應(yīng)力或者應(yīng)變來進行計算；
（6）    在不需要有限元重新求解的前提下對整個鋪層結(jié)構(gòu)進行小的修正和交互顯示重分配層的應(yīng)力和失效計算；
（7）    通過逐層的單元厚度、輸出應(yīng)力和失效指數(shù)等的曲線，清楚標(biāo)識出重要應(yīng)力分量和問題點；
（8）    輸出原始全局層的任意結(jié)果曲線，讓載荷路徑顯得清晰和正確的解釋優(yōu)化策略；
（9）    導(dǎo)出層合板和每個單元的載荷信息到LAP，為在進行一個新的有限元分析之前進行額外的檢查和實驗，改善鋪層順序；
（10）    交互計算和輸出類似上面的應(yīng)變結(jié)果。
簡言之，檢查模塊能夠使設(shè)計師立即領(lǐng)會任何工況（或多工況）對層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響，能夠快速圈定危險點范圍，識別問題，快速評估校正方法，并且采取正確行動。同樣的，過度的保守特征也能被快速識別并采取優(yōu)化措施。檢查模塊節(jié)省了團隊時間和幫助避免設(shè)計失誤。圖3與圖4即為檢查模塊應(yīng)用的兩個實例。

圖3 F1賽車一個部件的有限元分析結(jié)果檢查

圖4 艦艇項目的過載區(qū)域檢查
4、分析模塊
分析模塊界面如圖5所示，該模塊功能如下：
（1）    基于設(shè)計模塊創(chuàng)建的鋪層信息，或者從*.Layup文件直接讀取，或者通過FiberSIM的文件（設(shè)計模塊）導(dǎo)入，創(chuàng)建層合板特性數(shù)據(jù)進行有限元分析；
（2）    寫入包括所有層合板信息的NASTRAN或者ANSYS格式的輸入文件，也即轉(zhuǎn)換鋪層信息到有限元特性，為分析做準(zhǔn)備（PCOMP卡片或者SECTION或者Real Constants）；
（3）    內(nèi)嵌支持NASTRAN的文件格式，聯(lián)系網(wǎng)格特征到原始全局單層。

圖5 分析模塊界面
5、制造模塊
制造模塊界面如圖6所示，該模塊功能如下：
（1）    輸出DXF或者IGES格式的平面樣板圖或者鋪覆樣板圖用來嵌套剪裁或者CAD系統(tǒng)；
（2）    導(dǎo)出表格格式的完整或者部分單層信息表，以及單層鋪覆的圖表和特征，可以輸出到標(biāo)準(zhǔn)HTML格式（網(wǎng)頁瀏覽格式），以達到最大兼容性，或者針對公司的特定定制導(dǎo)出到微軟WORD（可選）格式；
（3）    自動擴展DXF格式平面樣板圖的外邊界輪廓線，以備后期剪裁；
（4）    導(dǎo)出激光數(shù)據(jù)到激光投影系統(tǒng)，進行無縫制造；
（5）    導(dǎo)出到模具表面以用于CAD；
（6）    處理多種已存在的平面樣板圖鋪覆在模具上，支持有限寬度重疊窄條的創(chuàng)建并導(dǎo)出到CAD系統(tǒng)。

圖6 制造模塊界面
三、Laminate Tools操作流程及典型應(yīng)用
Laminate Tools典型的操作流程如下：
（1）    利用CAD軟件定義幾何模型曲面后，利用預(yù)定的有限元前處理器在曲面上創(chuàng)建網(wǎng)格；
（2）    利用Laminate Tools工具，用復(fù)合材料織物對曲面進行鋪覆，并建立整個結(jié)構(gòu)的鋪層；
（3）    將Laminate Tools所建鋪層的單層信息轉(zhuǎn)換為層狀材料特性；
（4）    用專業(yè)有限元分析軟件對Laminate Tools所建層合材料進行有限元求解；
（5）    利用Laminate Tools對有限元分析結(jié)果進行后處理，并顯示后處理結(jié)果；
（6）    用Laminate Tools輸出單層裁切圖形樣板。
通過以上流程，Laminate Tools即可集成設(shè)計、分析和制造的相關(guān)軟件，形成簡易的復(fù)合材料分析、設(shè)計環(huán)境，進行以下的典型應(yīng)用：
（1）    材料鋪覆模擬，如圖7、圖8所示；
（2）    用Laminate Tools建立的鋪層，可以用來轉(zhuǎn)換單層信息到適合進行有限元分析的層狀材料特性，然后在所選用的有限元軟件中使用該信息；
（3）    以適用于復(fù)合材料的特定方式對有限元分析結(jié)果進行后處理，包括審查單獨全部全局層的能力，如圖9所示；
（4）    使用層的信息進行制造，包括嵌入和切削，平面樣板圖的輸出，或者使用激光工具把層的輪廓投影在模具表面上，如圖10所示；
（5）    簡單觀看、審查和批準(zhǔn)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)特征，在部門間或者轉(zhuǎn)包商之間進行數(shù)字信息交流，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最小化誤差，并且在部件性能上讓可信度最大化。

圖7 模擬鋪覆高曲率曲面

圖8 試驗結(jié)構(gòu)的鋪覆模擬結(jié)果

圖9 顯示高應(yīng)力單元逐層應(yīng)力分布的獨特視圖

圖10 作為制造項目一部分的平面樣板圖
四、總結(jié)
總的來說，聚焦于層合復(fù)合材料的Laminate Tools橋接了復(fù)合材料設(shè)計、分析和制造的整個流程，強大的可視化功能使其在審核設(shè)計和查明材料特性需要審查的問題區(qū)域時極具使用價值，創(chuàng)建復(fù)雜層合板的功能使其在處理大量鋪層信息時極其有用，創(chuàng)建并輸出單層信息表的功能使其在逐層檢查和鋪層可視化上極具優(yōu)勢。Laminate Tools使用至今，已被證明是在分析和設(shè)計師之間分享信息的高效工具，它的推廣必將推動復(fù)合材料在更多領(lǐng)域、更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用。目前最新版本為4.1版，具體技術(shù)咨詢可以聯(lián)系CAEDA Ltd.中國總代理公司。

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帶圖的

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軟件手冊

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New features in Laminate Tools version 4.2 (first release, since launch of version 4.1)
Geometry
greatly improved geometry translation, with additional control parameters and faster sewing
when loading named surfaces, element sets are also created for the component surfaces of merged surfaces, for easy picking
Design
implemented material/ply/layup export to spreadsheet, to be used for re-importing onto a morphed or translated mesh
added option to import material/ply/layup from spreadsheet onto a translated mesh
implemented ply mirroring and cloning
implemented element set mirroring and cloning
enabled auto merge of material properties on layup file import (by name, if existing type is undefined)
implemented draped pattern outputs (incl. exact) for projected type plies (ply boundary)
added option to import layup file for one element set only
added option to define ply or offset vectors by picking nodes
changed usage and naming convention for imported PlyMaster materials, to reduce number of materials added
modified COM command “l(fā)ayup define/append” to generate global ids
added COM automation function SetSplitEdgeIds
added COM automation function SetMaterialStiffness
Post-processing
added support for Abaqus files (INP, ODB stress)
added option to export generated failure calculations to Hyperworks H3D file format
updated Nastran OP2 support for new element type storage
added support for Ansys RST files for version 13 or later
implemented subcase deletion, fixed multiple loadcase deletion in a single operation
updated LAP export format for transverse loads and offsets
Manufacturing
implemented SigmaNEST spreadsheet output in Ply Book export
implemented data export for automated Robotic ply placement
added cut-out boundaries to Assembly Guidance laser export data
enabled the specification of text height in flat DXF pattern files
User Interface
added support for software based licence keys
improved Windows 7 compatibility, including 3D mouse usage
added COM automation function GetDrapeVectors
revised and improved default GUI graphics colours
plus numerous fixes and performance improvements.
PlyMatch
implemented automatic recalibration for mirrored parts
implemented optional display of tool probe together with model
added ability to pan when zoomed in
allowed the application of a new probe configuration without soft restart
implemented interface to inspect ply placement, calculate and export deviations
added hardware support for Windows 7
implemented fixed calibration method with 6 points
improved fixed camera calibration method with 4 points, allowed individual selection of any successful solution
added ability to save calibration for multiple fixed cameras