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先進(jìn)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(qiáng)、性能各向異性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，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(jì)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(jìn)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(yùn)用于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造中，英國Anaglyph軟件公司推出的Laminate Tools（簡稱LT）就是其中獨(dú)具特色的一款。
作為一款在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)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(jì)、分析和制造于一身，專注復(fù)合材料從設(shè)計(jì)、分析、檢查到制造的整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)特定領(lǐng)域的特性。與此同時(shí)，極低的性價(jià)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(gè)版本起，隨著版本的不斷提高、功能的不斷增強(qiáng)，Laminate Tools越來越成為一款設(shè)計(jì)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(jì)、分析、檢查以及制造工藝5個(gè)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(duì)上述各功能模塊進(jìn)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(jí)視圖，并立即顯示樹形節(jié)點(diǎn)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(gè)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(gè)單元。
圖1 顯示模塊界面
2、設(shè)計(jì)模塊
設(shè)計(jì)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(cè)試驗(yàn)證過的鋪覆模擬算法來進(jìn)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(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)層；
（6） 導(dǎo)入PlyMaster的電子表格數(shù)據(jù)，以便自動(dòng)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(jì)模塊界面
3、檢查模塊
該模塊是Laminate Tools的一個(gè)強(qiáng)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(jìn)行后處理；
（2） 讀取ANSYS結(jié)果文件(*.rst)進(jìn)行后處理；
（3） 輸出每層每個(gè)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(jìn)行計(jì)算；
（6） 在不需要有限元重新求解的前提下對(duì)整個(gè)鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行小的修正和交互顯示重分配層的應(yīng)力和失效計(jì)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(shí)出重要應(yīng)力分量和問題點(diǎn)；
（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(gè)單元的載荷信息到LAP，為在進(jìn)行一個(gè)新的有限元分析之前進(jìn)行額外的檢查和實(shí)驗(yàn)，改善鋪層順序；
（10） 交互計(jì)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(jì)師立即領(lǐng)會(huì)任何工況（或多工況）對(duì)層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響，能夠快速圈定危險(xiǎn)點(diǎn)范圍，識(shí)別問題，快速評(píng)估校正方法，并且采取正確行動(dòng)。同樣的，過度的保守特征也能被快速識(shí)別并采取優(yōu)化措施。檢查模塊節(jié)省了團(tuán)隊(duì)時(shí)間和幫助避免設(shè)計(jì)失誤。圖3與圖4即為檢查模塊應(yīng)用的兩個(gè)實(shí)例。
圖3 F1賽車一個(gè)部件的有限元分析結(jié)果檢查
圖4 艦艇項(xiàng)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(jì)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(jì)模塊）導(dǎo)入，創(chuàng)建層合板特性數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)到最大兼容性，或者針對(duì)公司的特定定制導(dǎo)出到微軟WORD（可選）格式；
（3） 自動(dòng)擴(kuò)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(jìn)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(duì)曲面進(jìn)行鋪覆，并建立整個(gè)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(duì)Laminate Tools所建層合材料進(jìn)行有限元求解；
（5） 利用Laminate Tools對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)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(jì)、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(jì)環(huán)境，進(jìn)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(jìn)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(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行后處理，包括審查單獨(dú)全部全局層的能力，如圖9所示；
（4） 使用層的信息進(jìn)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(jì)中的結(jié)構(gòu)特征，在部門間或者轉(zhuǎn)包商之間進(jìn)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(yàn)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(dú)特視圖
圖10 作為制造項(xiàng)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(jì)、分析和制造的整個(gè)流程，強(qiáng)大的可視化功能使其在審核設(shè)計(jì)和查明材料特性需要審查的問題區(qū)域時(shí)極具使用價(jià)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(shí)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(shì)。Laminate Tools使用至今，已被證明是在分析和設(shè)計(jì)師之間分享信息的高效工具，它的推廣必將推動(dòng)復(fù)合材料在更多領(lǐng)域、更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用。[url]www.caeda.com.cn[/url] |
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發(fā)表于 2010-10-3 14:27:34
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