【复材三问】铺层工艺影响到底大不大

本文将主要介绍曲面铺层时铺层工艺（纤维方向的改变）对结构性能的影响，以及怎样通过软件考虑这一问题。

1. 铺层工艺对材料方向的影响

直接指定材料方向而不考虑铺层工艺的影响往往会与实际情况严重不符。下图所示中左图为直接指定材料方向，右图为考虑铺层工艺后的材料方向。

图1 铺层工艺对材料方向的影响

我们可以设想一块布蒙在曲面上的情况，很容易确定右图更贴近实际。通过上图可以看出，考虑铺层工艺时材料方向有很大变化。由此可想而知，如果在结构分析中不考虑这个因素的影响分析结果将会有多大“问题”。

2. 铺层工艺对分析结果的影响

将考虑铺层工艺前后两种情况的模态分析结果做如下对比，可以验证铺层工艺对分析结果的影响程度，具体如图2和图3所示。

图2 第一阶模态结果对比 

图3 第二阶模态结果对比

直接指定材料方向的情况下第一阶模态频率为381.26Hz，第二阶模态频率为478.69Hz。考虑铺层工艺影响的情况下第一阶模态频率为257.32Hz，第二阶模态频率为528.49Hz。考虑铺层工艺后，第一阶模态频率值减小了32.5%，第二阶模态频率值增大了10.4%。

3.考虑铺层工艺的仿真流程

MSC软件中的Patran/Laminate Modeler可以进行铺层工艺仿真，再结合MSC Nastran就可以进行完整的铺层复合材料结构仿真，具体流程如下。

3.1. 铺层前的准备工作

首先在Patran中创建或从外部导入几何模型，然后划分有限单元网格，最后创建正交各向异性的材料参数，如图4所示。

图4 创建铺层表面和材料参数

3.2. 定义铺层

在Patran界面下打开Laminate Modeler模块（Tools>Laminate Modeler>Layup/Laminate），新建一个Layup文件，然后在弹出界面依次进行铺层参数定义、铺层定义、铺层叠放顺序定义等工作，具体流程如图5所示。

图5 铺层定义流程

3.3. 分析并查看结果

在Patran/Laminate Modeler中走完上述整个流程后，软件会自动根据每个单元上的纤维方向生成对应的单元特性。接着只需按照正常的流程提交MSC Nastran进行仿真分析然后再查看仿真结果即可。

4.总结

本文旨在介绍考虑铺层工艺的复合材料结构仿真流程，并没有对铺层工艺部分展开介绍。现实当中的复合材料铺层会遇到各种各样的问题。工艺部门或设计部门需要提前考虑到，包括起始点的位置、铺层的覆盖范围、铺层剪口、搭接等一系列问题。如果这些因素不提前定好，将会影响最终产品性能的分散度、可靠度、废品率等方面。

通过Patran/Laminate Modeler可以考虑铺层工艺中的所有细节，提前对铺层效果进行仿真，确定最佳的铺层方案，在设计阶段减少产品的制造风险。同时，通过Patran/Laminate Modeler还可以把设计好的铺层工艺考虑到结构仿真中，在产品加工之前知道产品的具体性能，为进一步优化产品性能提供基础。

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