【专业讲堂】一文了解材料加工对复合材料零件性能的影响
复合材料零件的生产依赖于越来越多的加工技术，这些技术对零件的性能有很大的影响。通常会使用过程模拟工具针对特定材料优化制造过程，而常用的技术有注塑成型、注塑压缩成型、压缩成型等。所有这些方法都与短、长和连续纤维增强塑料结合使用，以提高强度。复合材料在很大程度上受到零件制造工艺的影响，这可能导致最终制造零件的材料行为不均匀，给设计过程增加了另一个挑战。
制造、微观结构、材料特性和最终性能是相互依赖的
为了达到某些特定性能约束实现最佳设计，必须对加工步骤、结构设计甚至材料本身进行优化循环。零件的最终性能将同时取决于这三者，因此同时考虑它们是很重要的。如今可以建立多尺度模拟，其中所有三种影响因素可完全耦合，因此可以用一种独特的方法进行研究，从而实现更精确的分析和更短的设计周期。
复合材料通常由嵌入增强物的基体组成。基体相和增强相根据其特性和性能、具体应用进行调整。通过改变复合材料的微观结构，这些材料性能也得到了调整，从而产生了一系列不同的宏观响应，这些潜在可能的变化可能包括增强体含量或形状，短纤维、长纤维或连续纤维。这些参数不同以便定制最终的材料性能。
无论使用何种复合材料，定制的性能以及它们的实际效益在很大程度上取决于材料的微观结构，这就是设计的复杂性所在。制造过程对材料的微观结构有着直接的影响。这意味着加工步骤将定义零件中的局部材料特性，而这些特性可能因位置而异，并直接导致整个复合材料零件中的一系列材料属性。这种性能分布将直接影响复合材料设计的整体性能。因此，零件的制造、局部微观结构、材料性能和最终性能是相互依赖的。
为了充分利用定制的复合材料，必须考虑所有这些影响因素。在这种情况下，需要建立基于加工模拟的耦合分析，并将影响映射到结构分析。连接加工和性能的关键部分是材料模型，它必须能够根据工艺模拟预测的材料微观结构输入来预测局部复合材料性能。这一目标可以通过建立基于细观力学模型的多尺度分析来实现。
此类分析首先需要输入基体和增强相的单独属性，然后根据微观结构的附加信息重新组合，以计算材料的局部性能。所得到的材料模型是微观结构的函数，能够描述复合材料在各种载荷作用下的刚度和失效，并自动包含材料的各向异性。将材料模型定义为微观结构的函数，建立耦合多尺度分析的另一个挑战来自于通过工艺模拟预测复合材料微观结构。
对于目前常见的注塑成型、压缩成型等，目前都有商业软件工具用于执行处理模拟。但是重要的是要了解不同方法的加工模拟和结果不同，微观力学模型也可能特定于材料。在进行耦合分析之前，需要提出的关键问题包括：
是否存在所需制造方法的加工模拟？
这种加工模拟是否提供了可用于微观力学建模的局部微观结构的信息？
是否存在描述所需复合材料性能的微观力学材料模型？
当所有这些问题都能得到肯定的回答时，至少可以实现耦合分析的基本方法。对于短纤维增强塑料，其耦合分析比较常见。基于精度水平，耦合刚度分析（包括温度和应变率相关性）在过去几年中已发展成为一个标准。该工艺也可用于长纤维增强塑料（LFRP）。
单向复合材料和机织复合材料的复合设计从材料层面上的材料表征开始，然而在试样层面上，纤维每层堆叠中的取向很容易描述，也很容易合并到模拟模型中，但当转向真正的零件时，情况变得越来越复杂。这类零件具有曲面，通过某些制造方法生产时，曲面将影响纤维的局部取向。
总之，复合材料结构的设计是一项具有挑战性的任务。零件的制造、局部微观结构、产生的复合材料性能和最终性能是相互依赖的。为了充分利用定制复合材料的性能进行优化设计，必须考虑所有这些影响。随着所有行业不断推出更轻量化的结构，复合材料设计将是未来成功的基本组成部分。