【专业讲堂】一文详解计算机仿真分析在推进复合材料飞机结构中的重要作用
如今使用的许多计算机仿真模拟工具都是从航空航天工业中起步的，它们的使用总是伴随着大量的物理测试。然而，复合材料飞机结构的引入使得人们需要更多地依赖仿真工具和方法。飞机设计师在复合材料中发现了许多好处，但他们也对复合材料可能带来的一些潜在困难保持警惕，这些问题是最新的模拟软件设计用来处理的。
复合材料的优点
飞机设计师之所以喜欢复合材料，主要是因为它们具有极高的刚度重量比。异常坚硬的碳纤维与塑料基体相结合，形成了一种非常轻但坚硬的材料，与传统材料相比具有许多优点。碳纤维复合材料的刚度和强度等于或超过大多数金属，但密度小于铝，这使得飞机更轻、更省油。
复合材料还具有非常优异的耐疲劳性能。当裂纹在基体中形成时，它们很快被纤维阻止，因此裂纹不会像在金属结构中那样传播。复合材料可能会断裂，但在结构复合材料中产生裂纹所必须施加的力是相当大的，而大部分能量用于破坏纤维与基体的结合，而不是变形，因此材料本身吸收了大部分能量。
飞机工程师从复合材料中获得了设计上的灵活性。复合材料的刚度特性可以在一定程度上进行调整，因为它们在沿着增强纤维的方向上更为坚硬。复合材料的制造方式通常包括层压，其中单向织物层沿各种方向堆叠，可以在结构需要时提供最大刚度。此外，工程师可以定制复合材料，使其在施加载荷时形状略有改变。这一特性使机翼的开发在空气动力学上更加有效。
使用OptiStruct优化复合材料的三相方法
复合材料结构的一个独特优点是能够将传感器嵌入飞机的蒙皮中，从而允许飞行员监测任何损伤。在小问题发展成紧急问题之前发现小问题的能力使这种传感器非常宝贵。
复合材料另外一个主要优点是具有耐腐蚀性。由于不含金属，因此材料不会发生电偶腐蚀。腐蚀是金属飞机面临的一个主要问题，而飞机运行的环境具有很强的腐蚀性，因此必须经常检查金属飞机的腐蚀损伤。由于复合材料的耐腐蚀性，减少了复合材料机身的检查周期，节省了操作人员的时间和费用。
除了在成本和性能上的优势外，复合材料结构还可以使乘客的飞行更加舒适和方便。使用复合材料机身时，飞机内外的空气压力差可能更大，因为复合材料可以比金属更有效地应对反复的客舱增压和减压，金属在这些操作中容易疲劳。因此，可以提高机舱内的压力，从而使飞机降落时的耳鸣声降低。在复合材料机身中，机舱内的湿度也可以设置在更高的水平，这样就不会受到腐蚀。在长时间飞行后，较高的湿度可以防止头痛和口干。另一个好处是复合材料飞机的窗户可以更大，因为它们由非常坚硬的材料支撑。
OptiStruct中的复合材料优化方法
复合材料带来的问题
虽然复合材料解决了许多金属结构常见的问题，但它们也有自己的问题。其中最重要的一点是，由于复合材料是由多个铺层构成的，因此复合材料可能会在这些层之间最薄弱的位置发生分层。当施加垂直于各层的荷载或剪切荷载时，特别有可能发生分层。
HyperMesh中接近制造过程的层形状定义
为了应对分层并避免屈曲带来的挑战，复合材料结构设计师必须确认，复合材料所承受的载荷在很大程度上是纤维最强的面内载荷。如果设计工程师想降低分层的可能性，就必须考虑结构中所有的潜在载荷路径，这也是计算机模拟对复合材料飞机设计越来越重要的原因之一。
工程师们面临的另一个问题是，与金属不同的是，没有办法检查复合材料的弱处或内部损伤。当出现分层或裂纹时，它们通常隐藏在复合材料内部看不见的地方。嵌入式传感器有助于捕捉这些故障，但它们需要一种对飞机工业来说是新的方法，需要对工艺进行调整。
在将复合材料构件连接到金属结构上时，围绕复合材料的最棘手问题之一变得显而易见。由于复合材料是较硬的材料，它们承受了大部分载荷。制造商通过简单地用更多的复合材料建立复合材料与金属的连接来补偿这种增加的应力。然而，这增加了重量，而且金属的膨胀和收缩速度往往与它所连接的复合材料不同。这种不平衡会导致关节失效。
当然，这个困难可以通过简单地用复合材料制造更多的组件，创建一个全复合材料接头来解决。然而，这样的解决方案并不容易。复合材料通常与粘合层连接，当受到某种载荷时，粘合层本身容易分层。两个复合材料部件可以用紧固件连接，但这一过程会引入钻孔产生的应力集中以及复合材料和紧固件之间不同的膨胀率。
理想的解决方案是开发更全面、完整的复合材料结构，从而避免零件的连接，飞机开发人员在开发整体制造方法方面正在取得巨大进展。
显然，想要在飞机上使用复合材料的工程师、设计师和制造商必须考虑和测试多种因素。他们越来越依赖计算机模拟来帮助评估所有可能影响复合材料结构的变量。
复合材料层压的可视化效果
和其他行业一样，在投资建造昂贵的飞机之前，模拟技术可以用来在计算机屏幕上设计和测试复合材料结构。然而，对于复合材料，模拟变得更加复杂。与金属和塑料部件不同，复合材料不是均匀的材料。它们由具有特定方向性的纤维层组成，这些方向性可能影响结构的反应方式。这种异质性成倍地增加了必须考虑的设计变量。因此，我们看到了许多非常保守的飞机设计，这些飞机无法充分利用复合材料的宝贵特性。
然而如今，工程师们已经可以使用仿真软件来管理优化基于复合材料的设计的负担，从而得到更可靠和系统的结果。该软件能可靠地计算出应采用的铺层数量和位置、应采用的铺层角度以及铺层的最佳方式。基于计算机的软件可以同时评估数百个荷载工况，考虑无数的变量，并自动生成针对特定应用的最佳组合结构的计算结果。
使用RADIOSS进行的鸟击分析，包括故障和分层理论
借助这种先进的模拟软件，工程师可以很容易地将复合材料层的形状和参数映射到模拟模型上，模拟产生的结果不容易测试，可以提供对设计和可能存在的潜在问题的深刻见解。例如，在没有可靠的物理测试方法的情况下，模拟可以预测结构内部各层之间的平面外应力。此外，优化方法可以开发出一种将这些应力降至最小化，以消除在正常载荷条件下分层的可能性。
在新一代复合材料飞机的设计中，仿真模拟正成为一个关键的过程，它可以产生更安全、更舒适和更省油的设计，这些设计也必将在未来几年推动复合材料在更多结构中的应用。