ESAComp 复合材料分析设计软件.doc

ESAComp复合材料结构设计的专用软件 Markku Palanters, Componeering 公司，芬兰，赫尔辛基 CAEDA 编译 简介： 复合材料层合板的设计过程存在着同传统金属结构设计不同的阶段。例如，复合材料的结构设计有许多种可能的材料组合，而且，材料的各向异性力学行为在设计阶段是能通过选择特定的纤维方向和叠层次序就确定了的。虽然有限元程序能够用来对复合材料进行分析，但是却不能够涵盖所有涉及复合材料具体设计和分析方面。因此，还需要专业化的复合材料设计工具来对复合材料进行设计。一些比较先进的设计工具，如本文中涉及的ESAComp软件，同有限元软件包结合起来，组成了复合材料结构设计过程的整个部分。 关键词： 复合材料，复合材料结构，层合板，夹层结构，分析，设计，软件，ESAComp 1. 复合材料的设计需要软件工具 在很多方面，复合材料的结构设计同金属材料的结构设计都存在着差异。在设计阶段纤维增强复合材料结构和夹层结构的力学性能就已经被确定下来。通过选择不同的材料、铺层角和叠层次序可以无限设计出具有不同力学性能特征的复合材料来。要充分利用复合材料优异的比刚度、比强度就需要非常强调复合材料的设计工作。 通过使用各向异性壳单元，所有的主流有限元软件对复合材料结构分析都提供了很大的帮助。但是，在复合材料的初始设计阶段对整个结构进行有限元分析的起始准备工作，包括材料种类的选择、层合和夹层结构的设计以及层合板铺层方式设计，有限元软件的实用性不大。当在层合板结构的不同层的级别上来对复合材料行为进行细节研究时，有限元软件包提供的后处理能力尤其有限。这也再次说明了专业复合材料分析工具的必要性。 从文件输入\输出的内部代码方式到电子数据表格的应用和完全交互式视窗程序，许多的软件工具被开发出来对层合板进行分析。当前一些比较高级的软件工具已经从基本的层合板分析发展到了对类似梁、板和夹层面板中复合材料层板的连接等这样的结构单元进行分析。一些层合板分析工具可以为商用的有限元软件提供界面。 本篇文章的基础是在开发ESAComp软件过程中获得的经验。接下来的章节中，将ESAComp软件作为先进复合材料设计软件中的一个典型，对其所具有的设计能力进行介绍。并在最后部分讨论了复合材料设计工具同有限元程序的系统问题。 2. ESAComp 软件 2.1 背景 ESAComp 软件作为欧洲航天局(European Space Agency, ESA)的一个资助项目在1992年开始运行。该课题的目标是实现一个统一界面下可以包括所有必需的层合板分析、设计能力的软件工具。该软件系统同样也应该能够被终端用户进行扩展来满足在基本系统中不能够预见或者包括的某些特殊需要。它的最终目的是推出一个标准工具来取代许多被航空\航天公司使用的内部代码软件。 ESAComp软件的最初开发工作在赫尔辛基技术大学的轻型结构实验室中进行。2000年，Componeering公司接管负责ESAComp软件的进一步开发和维护，并成为该软件的商业发行商，欧洲太空宇航局继续对该软件中航空航天工业所关注的设计能力的开发工作进行资助。 EASComp软件起初开发了针对微软Windows和Unix/X两种系统平台的软件工具，但是目前该软件仅支持微软Windows系统，ESAComp软件的Linux操作系统版本将在2003年发布。 由于具有欧洲航天局的背景，欧洲航空航天公司最早采用了EASComp软件（图1）。一些研究院所和大学也是该软件的主要用户。EASComp软件被开发为一个通用工具以来，也增加了一些其他工业领域内使用到高性能复合材料的新客户（图2）。 图1 ESAComp软件支持设计的 图2 FY-Composites Oy设计和生Ariane 5复合材料整流罩 T-2000气垫船的复合材料结构 （照片来源：ESA） （来源：芬兰海军） 2. 数据库 EASComp软件具有用来存储有关材料性能（纤维，树脂材料，单层）、层合板、结构单元（梁横截面，板，机械和胶接接头）以及载荷工况的数据库。 在这里，单层（Ply）是一个用来形成层合板的通用材料术语。单层可以进一步被划分为增强层、均质层以及芯层（均质或者蜂窝芯）。该信息的必要性在于，定义于某一种单层方式上的部分数据内容同另外一种单层方式是不同的。某些分析也同单层的属性相适应。根据材料的本构关系，单层可以被划分为正交各向异性、横观各向异性以及各向同性，这样就最小化了用户所必须给出的数据量。对层的定义包括：质量数据（体积密度，面密度），力学性能（模量，泊松比，湿胀和热胀热系数，强度），工艺数据（不同加工