航空先进复合材料的应用技术及其数字化与CAE - 益小苏.doc
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1、航空先进复合材料的应用技术及其数字化与CAE益小苏北京航空材料研究院,LAC-ESI-ATE复合材料仿真技术中心 先进复合材料国防科技重点实验室(National Key Laboratory of Advanced Composites,简称LAC)与ESI公司和ATE公司合作建立的联合实验室摘要:本文从先进复合材料的数据问题和虚拟仿真问题这两个侧面入手,立足先进复合材料国防科技重点实验室的创新实践,论述了国内外有关的进展,介绍我们自己及其合作伙伴的工作,适当展望了发展的远景。关键词:先进复合材料、数据技术、数据库、虚拟环境(虚拟设计、制造、验证)以碳纤维增强复合材料为代表的先进复合材料技术
2、发祥于航空航天领域,同样,CAE技术也发祥于航空航天领域。在我国,航空先进复合材料约有近30年的历史,这也恰是CAE技术在我国航空工业的应用历史,因此,先进复合材料技术与CAE技术有着天然的内在联系。1、航空先进复合材料技术的国内外现状复合材料技术是一项具有战略意义的国防关键技术。在一定程度上,先进复合材料的研究水平和应用程度是一个国家科技发展水平的代表,特别是在飞机制造业,各种先进的飞机无不与先进的复合材料技术紧密联系在一起。举直升机为例,复合材料在先进直升机上的用量已高达50%(重量比)左右,复合材料应用的部位已从整流罩、地板、整体壁板等次承力结构向旋翼、框、梁等主承力结构方向发展,具有典
3、型代表的是NH-90、波音-360、V-22、RAH-66等现代直升机。复合材料在固定翼民机上的发展情况见图1。波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平,其基本特点之一为采用复合材料主结构,其中复合材料的用量为50%。波音B 787使用复合材料的部位如图2所示。先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右,图3为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。图1 复合材料在民机上的发展情况随着复合材料在飞机上应用比例的不断加大,先进的数字化设计制造技术和计算机辅助分析技术等在复合材料的制造领域得到了广泛应用。铺层、下料、浸渍、成型、固化等工序的模型化模拟技术和CAD/CAM/CAE
4、技术的运用,大大降低了开发制造成本,提高了开发和制造效率。如今复合材料的制造技术向着自动化、低成本、整体化、数字化的方向发展。我国复合材料技术虽然已有很大的发展,但目前还远远没有达到数字化设计和制造的程度。目前,国内航空工业进行复合材料产品的生产还停留在传统的手工设计和手工制造技术上,与国外先进水平有很大的差距,而其中一个很重要的原因是缺乏成熟的数字化的设计工具,也没有先进的设计工具和数据支撑。事实上,国外的研究和应用成果已经表明,在复合材料构件的设计制造过程中,不仅要采用单项的数字化设计制造技术,而且要建立集成的数字化设计制造环境,分别从计算机软、硬件和先进的复合材料设计、制造技术角度出发,
5、融合所有设计和制造的数字化过程,打通复合材料构件数字化生产线,实现产品数据从复合材料构件设计到最终交付的顺畅传递。更进一步地,国际先进复合材料技术目前的发展更偏向于利用虚拟的设计-制造-验证一体化环境,将真实的设计、制造、材料、验证、应用、乃至维修和全寿命管理等诸多环节统一起来,从而最大限度的压缩新品研制周期,降低研制成本,提高产品的市场竞争力,在这个过程中,CAE技术是航空工业创新设计和数字化设计制造的核心之一。图2 复合材料在波音787上的应用图3 军机上使用复合材料的应用2、先进复合材料数据技术与体系是发展的基础和瓶颈应用CAE技术提升我国航空先进复合材料技术的发展,其基础条件和重要前提
6、是研究、发展和建立与此相适应的复合材料数据技术和数据体系,理由如次。21、复合材料数据体系建设是实现数字化技术的基础科学数据是科技创新的重要源泉。基础性科学数据作为科技活动发展的基础和成果,是科学技术滚动发展的平台。一个好的科学思想、理论假说和应用技术,必须在掌握大量前人资料和科学数据的基础上才能形成,同时也必须在大量相关数据的支撑下才能被证实。而对科学数据进行系统化的综合分析,进而促进新的科学思维的产生,是实现科技创新的重要方式,并推动交叉学科的发展。特别是当代科学技术的发展趋势明显呈现出大科学、定量化和注重过程研究等特点,越来越依赖于系统的、高可信度的基本科学数据及其衍生的数据产品。而科学
7、研究工作本身也就是科学数据的生产过程 徐冠华“实施科学数据共享,增强国家科技竞争力”基础性工作动态(特刊)第12期(总32)p3。在材料应用研究工作中,材料数据作为研究成果的体现和研究工作的依据,在整个科研工作中都起着非常重要的作用。但是,材料数据本身是一种资源,这一点在我国并未得到应有重视。22、先进国家的国家级材料数据管理体系和运行模式先进国家非常重视材料数据管理和应用系统的建设和维护。到目前为止,在美国国防部国防技术信息中心(DTIC)的领导下,美国已建设了13个国家级的数据系统,形成了庞大的国防工业数据管理和应用体系,为美国国防工业保持其世界领先的竞争力和可持续发展立下汗马功劳。分析美
8、国在材料数据管理和应用技术方面的先进经验,可以总结出3个重要启示:(1)由政府及国防部积极推动和资助,由AMPTIAC这样的专业机构进行商业化运作和管理,具有完善的组织体系。体系的发展伴随着新材料的出现不断扩充、兼并、组合和完善;网络化数据管理已成为主要手段,实现了跨时间、跨地域的数据共享;(2)材料数据管理范围含盖金属及金属基复合材料,陶瓷及陶瓷基复合材料,高分子结构及高分子基复合材料,电子、光学及光电子材料,环境保护及特殊功能材料等五大类;既有处于实验和开发阶段的材料数据,也含有许多已知、成熟、有价值的材料信息。(3)由材料和信息技术两方面专家合作从事数据收集、评估、包装、标准实施、数据库
9、开发等。注重服务,服务范围包括技术咨询、调查、培训,相关材料技术报告的汇编、出版和发行等。23、我国航空材料数据库的历史经验 朱亦刚。北京航材院数据管理中心内部报告,2005自80年代以来,我国航空工业也着手建立各种材料数据库,例如国防示范库,腐蚀数据库,航空材料手册库,机载材料数据库,引进材料数据库,XX工程材料数据库,复合材料库等。总结起来,(1)把建设数据库作为一个内向的科研项目,没有深入了解用户的需求和工作方式,也没有与用户进行有效的沟通,用户认知度低。(2)没有真正认识到数据的质量是数据库有用的基础,数据库的作用是有效地管理和使用数据,结果是无用数据长期压库。(3)数据系统设计没有利
10、用信息技术的发展和及时更新,往往是数据库建成后很快老化、报废。(4)缺乏有效的长期运行机制,数据库课题结束,数据库的使命也随之结束。(5)不具备计算机网络硬件设施和方便互通的网络使用环境。(6)服务意识模糊,开放意识淡薄。(7)数据管理的诸多方面,如系统性、准确性、可靠性、可追溯性、安全性、知识产权保护、授权访问应用等未予以充分考虑,数据来源和应用范围受到了制约。24、复合材料数据的特殊性 美国军用复合材料手册(MIL-HDBK-17F)网络版(英文)及中译本(沈真,623所)根据美国军用复合材料手册(MIL-HDBK-17F),先进复合材料技术和复合材料数据的特点包括(1)复合材料包括基体和
11、增强材料,性能表征必须从组分开始。(2)由于复合材料的失效机理与金属材料完全不同,金属的性能测试方法基本上都不适用于复合材料;同时复合材料还有很多特殊的性能表征要求,特别是湿热和抗冲击性能。(3)复合材料是可设计材料(不同比例、不同纤维方向的铺层),其基本结构元素层压板的性能表征非常复杂。(4)复合材料的结构与材料同步形成,材料和工艺的变异性对材料(同时也是结构)性能具有重要影响。(5)国际范围仍缺乏复合材料及其结构的设计和使用经验,必须采用积木式的试验验证(性能表征包括组分、单层、层压板、结构元件和组合件等),因此试验种类和数量远超过金属。(6)复合材料性能数据必须包括:材料筛选、材料取证、
12、材料验收、材料等同性和结构证实。此外,MIL-HDBK-17F还要求(7)对不同批次、不同时间、不同实验室的同一复合材料体系的试验结果的数据可追踪性,不同厚度数据的归一化处理,异常数据的剔除原则,数据统计处理的方法等原则和操作步骤;(8)除单独性能表征的标准化外,针对材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实等,分别给出试验矩阵。25、复合材料的测试技术与测试标准技术体系建立复合材料数据库,复合材料测试技术标准必须先行。由于复合材料性能表征是复合材料及其结构研制与生产的重要组成部分,如此复杂多变的内容对其质量保证和结构验证有着极其重要的影响,同时也占了其研制和生产成本和时间的很大比重,
13、因此复合材料性能表征及其标准化一直是复合材料界的主要研究领域之一。标准化包含两方面内容,即性能表征的范围和方法(包括试验标准、数量及数据处理方法等)及针对不同应用情况建议的试验矩阵。随着复合材料及其结构研究的深入与应用的不断扩大,标准化的研究也在不断深入和发展。MIL-HDBK-17及ASTM D30下属复合材料标准陆续不断地更新和内容不断地增添,就反映了美国复合材料界在这方面的研究进展。26、数据库建设与知识管理系统数据库的核心是优质的数据和高效的数据管理和应用,而优质的数据来源于对材料的测试、分析和模型化工作,涉及大量的经验和知识,即便是照搬Mil-HDBK17,要从上千页的手册里找到合适
14、的方法和技术也不是一件简单的事,同时还需要进行大量的“What-If”分析和多方法或技术的平衡和优化,因此,就产生了对经验和知识进行管理和开发利用的问题。这个技术在国际上亦具有前瞻性。现阶段的可行方案之一是依托虚拟开发环境,将数据获得、产生、分析、应用等不同阶段的测试条件、测试参数变化、材料状态变化、材料参数变化、载荷边界条件变化等与流程相关的所有数据保留在关系型数据库中,经数据挖掘、总结、抽取和PLM下的知识定义技术、管理技术,形成一个数字化、基于数据库的知识库。27、 复合材料制件设计制造具有独特性(1)复合材料是各向异性材料,具有可设计性,也就是说可以按需要进行设计,树脂含量、铺层厚度、
15、铺设方向以及各个方向的铺层所占的比例等均作为设计参数,所设计的复合材料制件具有金属结构所不具有的特性。(2)复合材料制件的设计、制造与金属结构相比要复杂得多,需要投入更多的精力对结构每一部分进行细致入微的定义。(3)复合材料制件在成形零件的同时也完成材料的制造的工艺特点,决定了复合材料制件制造时必须同时考虑设计、材料、工艺、制造、检测/无损检测、实验验证等综合因素,这些因素密不可分,在复合材料制件制造过程中必须统筹考虑。28、 复合材料制件设计需要借助数字化平台进行管理复合材料制件设计工作体现在材料层次、制件层次和工程层次3个不同的层次。复合材料性能的设计包括选材、层合板强度和刚度的铺层剪裁优
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