一 引言：

復(fù)合材料的風(fēng)機(jī)葉片在研發(fā)過程中，不僅需要基于幾何曲面的鋪層設(shè)計(jì)，更需要進(jìn)行氣動載荷下的有限元計(jì)算和校核?；谇娴匿亴釉O(shè)計(jì)不僅能詳盡展示空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，而且能夠?qū)︿亴拥墓に囆赃M(jìn)行分析；即對生產(chǎn)工裝定位夾具提供定位尺寸，又能制作詳盡的鋪層圖紙。有限元計(jì)算是葉片性能分析中重要的一環(huán)。有限元計(jì)算能夠分析葉片的模態(tài)、頻率、變形和各個(gè)鋪層的強(qiáng)度等，也是葉片認(rèn)證中重要的一環(huán)。

 

二 軟件平臺：

CATIA 軟件是世界頂級的 CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)，是達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)的旗艦解決方案。模塊齊全，功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。其模塊功能從零件設(shè)計(jì)到曲面造型，從復(fù)合材料設(shè)計(jì)到人機(jī)工程，從知識工程到工程分析。SIMULIA/ABAQUS 是功能強(qiáng)大的工程模擬有限元分析軟件，是一個(gè)協(xié)同、開放、集成的多物理場仿真平臺。其求解器包是功能齊全的高級求解器，能夠求解廣泛的線性和非線性問題。

 

三 葉片復(fù)材設(shè)計(jì)和分析流程：

借助與 CATIA 各個(gè)子模塊的功能，工程設(shè)計(jì)人員有效無縫的推進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。在創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊里，能夠生成依據(jù)氣動數(shù)據(jù)的葉片高級曲面；在 CPD模塊里，設(shè)計(jì)人員能夠快速有效的完成結(jié)構(gòu)鋪層；在高級網(wǎng)格劃分模塊里，對葉片曲面快速的進(jìn)行區(qū)域劃分，再進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分；使用 COMPOSITE LINK，能夠進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，獲得 ABAQUS 有限元模型；在ABAQUS 中，使用 COMPOSITES MODELER FOR ABAQUS/CAE,得到詳細(xì)的鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整鋪層，并返回到 CATIA 中。

 

基于曲面鋪層的設(shè)計(jì)和基于有限元的分析之間無縫高效的雙向鏈接有利的推進(jìn)開發(fā)進(jìn)度。最終，在 CPD 中進(jìn)行鋪層的工藝性分析，調(diào)整鋪層順序和裁剪鋪層區(qū)域，形成鋪層文件，指導(dǎo)制造生產(chǎn)。

 

四 案例展示：

 在下列圖片（1-7）中展示了從曲面鋪層到有限元模型的實(shí)例：

 

 

CATIA 中葉片曲面 1

 

 

CATIA 中區(qū)域邊界 2

 

 

CATIA 中 鋪層 3

 

 

CATIA 中的 mesh 4

 

 

CMA 中鋪層 5

 

 

ABAQUS/CAE 中的鋪層 6

 

 

ABAQUS 中鋪層顯示 7

 

五 核心模塊的功能

1 CATIA/CPD(復(fù)材設(shè)計(jì)模塊)：

CATIA 的復(fù)材設(shè)計(jì)方法主要有兩種，一種是基于 ZONE-SOLID-PLY 的方法，先是基于區(qū)域生成實(shí)體，后生成鋪層；另一種是 GIRD 方法，基于柵格的方法，代表先進(jìn)的鋪層方法。復(fù)材鋪層設(shè)計(jì)以 ply（鋪層）為操作單元，快速方便的對 ply 進(jìn)行定義邊界、鋪層方向和生長方向，對鋪層能夠靈活進(jìn)行復(fù)制、裁剪、鏡像、合并、排序等。CATIA 中鋪層的工藝性分析也是重要的一方面，是生產(chǎn)制造不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的鋪層曲面，其理論鋪層角度和實(shí)際鋪層角度會有差異，Advanced Fiber Modeler 是先進(jìn)的纖維模擬模塊，能夠分析鋪層褶皺和鋪層角度偏差，對鋪層工藝提供支持。

 

2 CL 和 CMA

COMPOSITE LINK 和 COMPOSITES MODELER FOR ABAQUS/CAE 是鋪層設(shè)計(jì)文件和有限元文件轉(zhuǎn)化的必要軟件。C L 是基于 CATIA 環(huán)境下運(yùn)行的，支持輸出各種主流有限元軟件鋪層文件。輸出有限元模型的方法有兩種，一種是使用 CATIA 自身劃分的網(wǎng)格，或者使用第三方的網(wǎng)格模型，導(dǎo)出既有鋪層文件，又有網(wǎng)格的有限元模型；第二種是輸出鋪層文件，通過CMA 將鋪層文件映射到網(wǎng)格上，生成有限元模型。CMA 是基于 ABAQUS 下運(yùn)行的，其中 CMA是 ABAQUS 復(fù)材建模功能的擴(kuò)充，能夠進(jìn)行鋪層的工藝性分析。

 

3 CATIA 先進(jìn)網(wǎng)格劃分模塊

CATIA 中的網(wǎng)格劃分功能直接使用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)里定義的曲面和邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。當(dāng)改變創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)的鋪層曲線定義時(shí)，所作的網(wǎng)格劃分只需更新一下即可，無需重新劃分。結(jié)合 ABAQUS for CATIA,在 CATIA 中可直接調(diào)用 ABAQUS 的求解器，可以進(jìn)行線性求解。

 

4 ABAQUS 復(fù)材分析技術(shù)

ABAQUS 中對復(fù)合材料的模擬是多層次，多角度的。常用的是混合模擬，即基體和纖維看作是層合板。復(fù)材單元類型既有殼單元、實(shí)體殼單元，又有實(shí)體單元。鋪層方法就可基于單元的鋪層，也可基于曲面。失效準(zhǔn)則包含最大應(yīng)力、應(yīng)變，蔡-吳/蔡-希準(zhǔn)則，Hashin’s損傷理論，可以借助 forturn 語言定義 PUCK 準(zhǔn)則，進(jìn)行纖維和基體的失效分析。復(fù)合材料的分層破壞和膠接失效可以采用虛擬裂紋技術(shù)（VCCT）和 COHENSIVE 單元技術(shù)。

 

六 葉片有限元計(jì)算實(shí)例：

 

葉片鋪層

 

葉片模態(tài)分析

 

葉片在極限載荷下的變形

 

葉片某個(gè)鋪層的應(yīng)力

 

結(jié)構(gòu)膠在極限載荷下的應(yīng)力

 

七 總結(jié)：

 基于達(dá)索軟件平臺下，葉片的復(fù)材設(shè)計(jì)從曲面造型到復(fù)材鋪層，從網(wǎng)格化分到有限元模型建立，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，更新快，雙向無縫連接。節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高工作效率，易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，縮短開發(fā)周期。毫無疑問，CATIA 和 ABAQUS 是葉片研發(fā)人員的終極利器。

 

資料來源：達(dá)索官方