【专业讲堂】复合材料专业知识：复合材料机身机翼结构设计过程中的关键概念与主要流程
针对功能性复合材料进行结构设计是一项极其复杂的任务，因为在设计过程中需要使用多种不同的数值分析工具，涉及多个学科以迭代方式协同工作。本文主要是以航空航天领域典型部件：机身和机翼作为示例，来了解在复合材料结构设计过程中的一些主要概念和关键步骤。
结构设计的关键概念
在机身机翼复合材料结构件设计过程中涉及主要概念包括：
设计时重点关注由嵌入聚合物基体中的连续单向纤维或机织物层构成的薄壁结构；
结构复合材料设计过程中通常需要反复使用 CAD、CAM 和 CAE进行迭代；
结构复合材料部件使用大量参数来描述其机械性能，例如层的尺寸和位置、厚度、方向以及堆叠顺序等等；
优化技术的使用在设计和分析阶段变得至关重要，尤其是如果纤维增强材料要根据特定需求进行定制，并且要最大限度地发挥其各向异性的优势。
结构设计的主要流程
复合材料结构往往由不同方向和形状的若干层组成。这些层在定义的区域中堆叠在一起。在每个区域中，层压板具有给定的堆叠顺序。如下图所示，机翼的加强筋和肋条自然地定义了恒定堆叠顺序的区域。
2.2 设计阶段：CAD 和 CAM 链接
设计过程使用这些区域作为复合材料零件初步设计的基础，这称为基于区域的设计，其中 CAD 软件分配给定数量的层压板，即由每个区域中的层总数及其方向定义。
在这个阶段，可以估计纤维取向、铺层厚度的偏差（即层压板边界处厚度的逐渐变化），可以提供指向 CAM 的链接：在这种情况下，使用AddPath等离线程序来进行模拟铺层沉积，如下图所示。
2.3 分析阶段：CAE 工具
采用有限元法对复杂复合材料零件进行结构分析。只有对于简单的几何形状和近似的边界条件，才有可能得到解析解。在CAE阶段，设计人员在前一步中提供的设计由分析师进行验证和修改。检查结构完整性，并提供设计改进，最终目标是在结构的每个区域提供正确（最佳）堆叠顺序。下图总结了用于结构复合材料优化设计的方法。
03
结束语
综上所述，在计算机和各种数值工具的辅助下，复合材料的结构设计是一项极其复杂的任务。它涉及多个学科，包括CAD、CAE和CAM，在迭代过程中，优化起着非常重要的作用。
根据复合材料结构设计所需的大量参数，优化方法对于确定最佳堆叠顺序至关重要，这是设计过程的最终目标。最终解决方案程序应同时解决CAD–CAE–CAM层面的问题，以便提供轻量化和安全的设计，以便在制造过程中使用。