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1.纤维增强复合材料部件设计与制造过程

纤维增强复合材料部件设计与制造过程仿真包括如下几个部分：CAD设计，模具网格划分，铺敷性分析（draping），平面展开及确定纤维方向，成型分析，成型后部件的力学分析（见图1）。铺敷性分析（draping）属于复合材料制造工艺仿真特有的部分，本文讲重点就这一工艺过程进行相关讨论。

图1 纤维增强复合材料部件的典型制造过程[1]

2.铺敷性分析（draping）的定义

铺敷性分析（draping）是考虑复合材料织物在模具上铺设的方式以及材料中的纤维在贴合模具几何形状时产生纤维方向/角度的变化而进行的分析步骤。复合材料的增强材料（如玻璃纤维，碳纤维等）通常采用的是卷材，展开后为一平面（见图2），但许多复合材料部件是弯曲（有曲率）的（见图3）。为了制造这些结构复杂的部件，必须使增强材料贴合弯曲（有曲率）的模具表面，因此材料必须发生一定程度的变形，而这些变形会保留在成型件中，对制件的性能与外观产生影响。

图2 典型纤维卷材

图3 典型曲面零部件

3.铺敷性分析的意义

对于复杂结构（带曲率）的复合材料制件，它的可制造性和确定结构后的制件性能都由复合材料铺敷在曲面上的最终形态来决定。除了简单的形状（管材，棒材，平板等）之外，纤维由于铺敷方式而重新定向的行为将对大多数复合材料的结构性能产生很大的影响（见图4）。如果采用不恰当的铺敷方式，结构中的纤维可能产生很大的褶皱（见图5）。

图4 铺敷过程对纤维方向的影响 (箭头表示原来纤维方向和铺敷后纤维方向)

图5 不恰当的铺敷方式引起的褶皱[2]

在没有考虑这些因素(褶皱、纤维角度变化等)的情况下，试图对结构性能进行建模是没有意义的。即使使用最精确的材料数据和最复杂的失效模型，除非能够对复合材料结构内纤维的方向进行实际建模，否则也不能对复合材料成型结构进行最精确的模拟。使用相关的软件可以进行铺敷性分析并预测这些增强材料如何在弯曲的模具表面上变形。曲面展开图可以用于增强材料的裁剪（见图6）。裁剪好的材料在铺敷后可以很好的贴合模具表面，同时在纤维对齐以保持机械性能和制造的铺层复杂性之间取得平衡。

图6基于铺敷性分析得到的曲面展开图

4.铺敷性分析及其算法

铺敷性分析可以对单个纤维层或者整个方向单元集进行分析。当对整个方向单元集进行铺敷性分析时，调整后的纤维方向会映射到整个单元集的每个纤维层上。当定义了铺敷性分析时，调整后的纤维方向会自动在后续的分析中采用。如果在纤维层和方向单元集上都定义了铺敷性分析，纤维层的结果会覆盖方向单元集的结果。

该算法基于最小化能量方法采用四点铰接的纤维网格模型。也即

图7 铺敷性分析算法示意图[3]

参考文献&素材来源

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