(旧)复合材料数值模拟技术

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复合材料成型数值模拟及其应用

复合材料成型数值模拟及其应用复合材料在现代工业中应用广泛，具有轻质、高强度、高刚度和优异的耐久性等特点。

然而，复合材料的成型过程可谓是一门艺术和技术的结合，需要大量的工程经验，试错和大量的实验验证。

随着计算机技术的不断进步，数值模拟成为一种有效的预测和分析复合材料成型过程的方法。

本文将从数值模拟的角度出发，探讨复合材料在制造过程中的应用。

一、复合材料成型的基本过程复合材料的成型过程一般分为模具设计、预浸料制备、预浸料浸渍、层叠和压缩这几个步骤。

1. 模具设计模具是决定复合材料成型特性的关键因素之一。

合理的模具设计可以提高复合材料的成型质量和生产效率。

目前，常用的模具包括手工模具、金属模具和树脂模具等。

2. 预浸料制备复合材料一般采用热固性环氧树脂作为基体材料，预浸料是将纤维预先浸润在树脂中的半成品材料。

预浸料的制备是浸渍复合材料的基础，质量的高低直接影响到成品的质量。

3. 预浸料浸渍浸渍是将预浸料浸润在纤维上的过程，纤维的含量、树脂的流动性和浸渍过程的参数都是影响浸渍质量的重要因素。

4. 层叠和压缩将浸渍好的纤维层叠起来并进行压缩，以使树脂浸润在纤维之间，形成复合材料。

二、复合材料成型数值模拟的概述数值模拟是一种通过计算机模拟实际过程的方法，可以在虚拟环境中预测实际过程的结果。

数值模拟可以显著缩短调试时间和成本，减少实验次数和避免安全事故的发生。

复合材料成型数值模拟的基础是复合材料的力学行为和传热学理论。

主要包括有限元分析、流体力学分析、热传分析和材料模拟等方法。

可采用数值模拟技术模拟复合材料的成型过程及其过程参数和材料物性对成型过程的影响。

数值模拟可以分为几个步骤：模型的建立、边界条件的确定、求解方案的选择、数值计算和结果的分析等。

模型的建立是数值模拟的基础，复合材料成型过程的模型建立对数值模拟的精度有很大的影响。

应该综合考虑成型过程的物理和化学特性，设计实用、精确、高效、可靠的数值模拟模型。

复合材料的多尺度模拟与分析

复合材料的多尺度模拟与分析在当今科技飞速发展的时代，复合材料因其卓越的性能在众多领域得到了广泛应用，从航空航天到汽车制造，从生物医学到电子设备，无处不在。

为了更深入地理解和优化复合材料的性能，多尺度模拟与分析技术应运而生，成为了材料科学研究中的重要手段。

复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，这些不同的组分在微观尺度上相互作用，共同决定了复合材料的宏观性能。

然而，要准确预测和理解复合材料的性能，仅仅依靠实验研究是远远不够的。

实验研究往往受到时间、成本和技术限制，而且无法直接观察到材料内部在不同尺度下的微观结构和物理过程。

这就需要借助多尺度模拟与分析技术，从原子、分子水平到微观结构，再到宏观尺度，全面深入地研究复合材料的性能。

在原子和分子尺度上，量子力学模拟方法如密度泛函理论（DFT）等被用于研究复合材料中原子之间的化学键合、电子结构和相互作用。

通过这些模拟，可以了解材料的基本物理性质，如电学、光学和磁学性能等，为设计具有特定功能的复合材料提供理论基础。

当研究范围扩大到纳米和微米尺度时，分子动力学（MD）模拟和蒙特卡罗（MC）方法就发挥了重要作用。

分子动力学模拟可以追踪原子和分子在一定时间内的运动轨迹，从而研究材料的热性能、力学性能和扩散过程等。

蒙特卡罗方法则适用于研究材料中的随机过程，如晶体生长、相变等。

在微观尺度上，有限元分析（FEA）和有限差分法（FDM）是常用的模拟方法。

这些方法可以建立复合材料的微观结构模型，如纤维增强复合材料中的纤维分布、基体与纤维的界面结合等，并计算其力学性能，如强度、刚度和韧性等。

通过微观尺度的模拟，可以优化复合材料的微观结构，提高其性能。

而在宏观尺度上，基于连续介质力学的理论和方法，如均匀化理论和等效介质理论等，可以将微观结构的性能等效地转化为宏观材料参数，从而预测复合材料在宏观尺度上的行为。

例如，在结构设计中，可以通过宏观尺度的模拟预测复合材料结构在受力情况下的变形、应力分布和失效模式等。

复合材料螺栓连接失效的数值模拟

ｄａｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｎｕｍｅｉｒｃａｌｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｌｏａｄ — ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
（３二炮驻）
文
摘
作为一种重要的连接及承载形式，复合材料螺栓的连接性能直接影响到结构组件的承载可靠性。
本文针对复合材料各向异性及渐进损伤特点，建立了包含复合材料螺栓及复合材料板的有限元模型。通过编
复合材料螺栓连接失效的数值模拟
俸翔廖强何安荣。王树浩。
１０００７６）１００１９１）
（１航天材料及工艺研究所，先进功能复合材料技术重点实验室，北京（２北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京
ＷａｎｇＳｈｕｈａｏ
（１ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＡｅｒｏｓｐａｃｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ

化学气相渗透法制备复合材料的数值模拟研究进展

・
１６１・
材料导报：综述篇
２１００年６月（）２第６期上第４卷
化学气相渗透法制备复合材料的数值模拟研究进展
丁冬海，万城，周张
・
标，发，罗朱冬梅
（西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安７０７）１０２
ａｐｃｓｓｅｔ：ｍｏｅｆｐｅｏｍｔｕｔｒ，ｓｍｕａｉｎｏ－ｄｌｒｆｒｓｒｃｕｅｉｌｔｏｆＣＶＩｉｌｔｎｏｏＩ，ｓｍｕａｉｆｏＴＧ－ＶＩＣ．Ｔｈｙｏｈｓｓｓｒｃｓｆｍｏｅｅｈｐｔｅｉｅ，ｐｏｅｓｏｄｌｇａｄｄｇｅｆｇｅｍｅｔｗｉｈｅｐｒｎｓｏｏｍｐｒａｔｍｏｅｒｅｉｗｅｈｅｌ．ｉｎｅｒｅｏｒｅｎｔｘｅｉｎａｍｅｔｆｓｍｅｉｏｔｎｄｌａｅｒｖｅｄｃｉｆｙＫｅｒｓｙｗｏｄＣＶＩｕｒａｉｕａｉｎ，ＴＧ－，ｎｍｅｉｌｍｌｔｃｓｏＣＶ１
小、可制备异形构件、材料制备温度低、制备的材料杂质含所量少等优点，不足的是周期长、能耗大、成本高。优化Ｃ工ＶＩ
三氯甲基硅烷
图１ＣＩＶ法制备ＳＣ，ＳＣ复合材料的工艺流程图ｉห้องสมุดไป่ตู้／ｉ
Ｆｉ．ＳｈｍａｉｉｇａｏｒｃｓｆＣＶＩｉｇ１ｃｅｔｃｄａｒｍｆｐｏｅｓｏｎ

基于PythonAbaqus复合材料代表性体积元的数值模型

基于PythonAbaqus复合材料代表性体积元的数值模型一、本文概述随着复合材料在工程领域中的广泛应用，对其性能预测和优化的需求也日益增长。

复合材料由多种不同性质的组分材料组成，其性能不仅取决于各组分的性质，更与组分之间的相互作用和排布方式密切相关。

因此，建立能够准确反映复合材料宏观性能的数值模型，对于理解其力学行为、预测其性能表现以及优化其设计具有重要意义。

本文旨在探讨基于Python和Abaqus的复合材料代表性体积元（Representative Volume Element, RVE）数值模型的建立与应用。

我们将介绍复合材料RVE模型的基本原理和重要性，阐述其在复合材料性能预测中的关键作用。

接着，我们将详细介绍如何使用Python 编程语言和Abaqus有限元分析软件，构建复合材料的RVE模型。

在这一过程中，我们将涵盖模型建立的关键步骤，包括材料属性的定义、几何模型的建立、边界条件的设置以及求解过程的实现。

本文还将探讨如何对建立的RVE模型进行验证和校准，以确保其能够准确反映复合材料的实际性能。

我们将介绍一些常用的验证方法和技术，包括与实验结果的对比、模型预测精度的评估等。

我们将通过一些具体的案例，展示基于Python和Abaqus的复合材料RVE模型在预测复合材料性能、分析材料失效模式以及优化材料设计等方面的实际应用。

本文旨在为从事复合材料研究的学者和工程师提供一个有效的数值建模工具和方法，以帮助他们更好地理解和预测复合材料的力学行为，优化材料设计，推动复合材料在工程领域的应用和发展。

二、复合材料基础知识复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成具有新性能的材料。

这种材料在保持各组成材料主要特点的基础上，通过复合效应获得单一材料难以达到的综合性能，如更高的强度、更好的刚度、更低的密度、更高的耐温性能、更好的电磁性能等。

复合材料的性能不仅与组成材料的性能有关，而且与各组分材料的含量、分布、界面结合状态以及复合工艺等因素密切相关。

复合材料振动特性的实验与数值模拟分析

复合材料振动特性的实验与数值模拟分析第一章绪论复合材料具有轻质、高强、高模量、抗腐蚀等优点，在航空航天、汽车、船舶、建筑、体育器材等领域得到广泛应用，其中包括结构件、薄壁器件、波纹管等。

然而，复合材料的振动特性却不同于传统材料，需要更深入的实验研究和数值模拟分析。

本文将介绍复合材料振动特性的实验与数值模拟分析。

第二章复合材料振动测试技术2.1 振动测试原理振动测试是测量物体振动响应的技术，常用于确定物体结构的共振频率、振型和各振动模态下的变形量、应力等，是评价机械结构、汽车、航空航天、电子器件等的设计和性能的重要手段。

振动测试原理包括激励、传感器、信号采集、数据分析等步骤。

2.2 复合材料振动测试方法研究复合材料的振动特性需要采用合适的测试方法，常用的测试方法包括自由振动测试、强制振动测试、谐振测试和反射测试等。

对于复合材料薄壁器件和波纹管的振动测试，常采用拉普拉斯光栅干涉法或扫描电子显微镜法。

第三章复合材料振动数值模拟分析3.1 振动数值模拟基础振动数值模拟是运用计算机软件和数值方法，通过建立物体或结构的数学模型，求解其振动模态、振动频率、振动幅度等振动响应特性的方法。

在可见光和红外成像、生物医学、机械制造、电子器件、工程结构等领域中，均有广泛应用。

3.2 复合材料振动数值模拟方法复合材料具有不同的纤维排列方式、纤维长度和含量、界面剪切变形等特点，与传统金属材料的振动响应有明显差异。

因此需要采用适合的数值模拟方法，包括有限元模拟、模态结构分析、模态振型拟合、波数域方法等。

第四章复合材料振动分析综合应用案例4.1 复合材料杆的振动特性分析通过实验测试和有限元数值模拟方法，分析了具有椭圆截面的复合材料杆的振动特性。

将结果与传统圆形截面杆进行比较，探讨了杆截面形状对振动响应的影响。

4.2 复合材料薄壁管的振动特性分析通过实验测试和数值模拟方法，分析了具有不同纤维层数和角度的复合材料波纹管的振动特性。

复合材料制造过程仿真技术综述

复合材料制造过程仿真技术综述元振毅;王永军;蔡豫晋;郭俊刚;苏霞;孙博【摘要】复合材料制造过程仿真技术的有效应用可以在复合材料构件设计之初对其制造过程中可能出现的缺陷,如分层、孔隙、温度不均、变形等问题进行预测,从而为优化构件结构、调整工艺参数或模具型面提供依据.对目前复合材料设计制造领域常用的一些软件进行简要介绍,并针对目前复合材料制造过程温度场分布和固化变形仿真技术中存在的问题进行了阐述与讨论.%Using the simulation technology for the manufacturing process of composites,many defects such as delamination,void,uneven temperature field distribution and curing deformation can be predicted effectively in the design stage to optimize the component structure,adjust the process parameters and the tool surface.Some common softwares used in designing and manufacturing field of composites materials are briefly introduced and some problems in the simulation about temperature field distribution and curing deformation are reviewed and discussed.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】7页(P47-53)【关键词】复合材料;制造仿真;温度场;固化变形【作者】元振毅;王永军;蔡豫晋;郭俊刚;苏霞;孙博【作者单位】西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心,西安710072;西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心,西安710072;西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心,西安710072;中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089;中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089;中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089【正文语种】中文先进树脂基复合材料（Advanced Polymeric Composites， APC），如不特别说明，本文后续提到的复合材料就指代先进树脂基复合材料）具有比强度高、比模量大、耐高温、抗腐蚀、可设计性强以及隐身性好等系列优点，20世纪70年代初即开始应用在飞机结构上，目前在航空领域得到广泛应用，继铝、钢、钛之后，迅速发展成航空4大结构材料之一。

《编织复合材料羽毛球拍的参数化建模及数值模拟》

《编织复合材料羽毛球拍的参数化建模及数值模拟》篇一一、引言随着科技的不断发展，复合材料在体育器材制造中的应用越来越广泛，特别是在羽毛球拍这一领域。

本文将重点介绍编织复合材料羽毛球拍的参数化建模及数值模拟的过程和关键技术。

参数化建模作为产品设计过程中的重要一环，能够有效提升设计效率及产品质量。

同时，数值模拟则是对产品性能进行预测的重要手段，对优化产品设计具有重要意义。

二、编织复合材料羽毛球拍的参数化建模1. 模型构建在编织复合材料羽毛球拍的参数化建模过程中，首先要确定羽毛球拍的几何结构、材料参数以及制造工艺等。

根据设计需求，使用CAD软件进行三维模型的构建。

在模型构建过程中，要充分考虑羽毛球拍的力学性能、重量、平衡性等因素，以确保模型能够满足实际使用需求。

2. 参数化设计参数化设计是提高模型设计效率的关键环节。

在羽毛球拍的设计中，将各个部件的尺寸、形状、材料等参数进行定义和关联，通过调整这些参数来改变模型的结构和性能。

这种设计方法不仅提高了设计的灵活性，还能有效缩短产品设计周期。

三、数值模拟1. 有限元分析数值模拟是通过对模型进行有限元分析来预测产品的性能。

在羽毛球拍的有限元分析中，需要将模型划分为有限个小的单元，然后通过求解这些单元的力学方程来得到整个模型的力学性能。

这一过程需要使用专业的有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等。

2. 边界条件设定及求解在有限元分析中，需要根据实际使用情况设定边界条件，如载荷、约束等。

然后通过求解器对模型进行求解，得到模型的应力、应变、位移等数据。

这些数据能够反映羽毛球拍的力学性能，为产品的优化设计提供依据。

四、结果分析与优化1. 结果分析通过对数值模拟结果进行分析，可以了解羽毛球拍在不同条件下的力学性能表现。

通过对比不同设计方案的结果，可以找出最优的设计方案。

同时，还可以通过分析模型的应力分布、变形等情况来评估模型的可靠性及耐用性。

2. 优化设计根据数值模拟结果及实际使用需求，对模型进行优化设计。

复合材料热处理数值模拟模型建立及参数优化

复合材料热处理数值模拟模型建立及参数优化引言：复合材料是一种由两种或两种以上不同材料组成的新材料，具有较高的强度、刚度和耐磨性，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。

在复合材料的制造过程中，热处理是一种重要的工艺，可以显著改善复合材料的性能。

数值模拟是研究复合材料热处理过程的有效方法，可以帮助工程师优化工艺参数，提高产品质量。

本文将探讨建立复合材料热处理数值模拟模型及参数优化的方法。

一、复合材料热处理数值模拟模型建立1.材料建模复合材料分为纤维增强复合材料和粒子增强复合材料两种。

在建立数值模拟模型时，需要将复合材料的宏观性能转化为材料模型中的本构关系。

对于纤维增强复合材料，可以通过等效材料法将其转化为各向同性材料进行建模；对于粒子增强复合材料，可以考虑粒子间的相互作用力，采用微观力学模型进行建模。

2.热传导模型热传导是复合材料热处理过程中的重要现象，其数值模拟模型需要考虑复合材料的热导率、热扩散系数和热源等因素。

可以利用有限元方法建立复合材料的热传导模型，并根据实际情况引入适当的边界条件。

3.相变模型复合材料在热处理过程中可能会发生相变，如固态相变、液态相变等。

相变模型的建立需要考虑复合材料的相变温度、相变潜热等参数，可以采用相场方法或相变耦合模型进行建模。

4.热应力模型由于复合材料的热膨胀系数和热导率在不同温度范围内可能存在差异，热处理过程中可能引起热应力的产生。

建立复合材料的热应力模型可以帮助预测热处理过程中的应力分布，进一步优化热处理参数。

二、参数优化方法1.设计实验为了建立准确可靠的数值模拟模型，在进行参数优化之前，需要进行一系列实验来获取材料的热性能参数和相关数据。

实验内容包括材料的热导率、热膨胀系数、热容等参数的测量，以及热处理过程中温度场、应力场等数据的采集。

2.响应面法响应面法是一种常用的参数优化方法，通过建立数值模拟模型，选取关键参数并进行多组实验，然后利用响应面模型对实验结果进行分析和拟合，最终得到最优参数组合。

复合材料壳体弹道侵彻数值模拟

Байду номын сангаас
（．ＣｌｏｓｏａｔｓＮｒｗｓｒｏｔｈｉｌｎｖｒｔ，ｉ１ｏ．ｆｔｎｕｉ，ｏｔｅｔｎＰｌｅｎｃｉｓｙｘ，１ＡｒｃｈｅｙｃａＵｅｉ卸
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3
Multiscale Nature of Composite Materials Features of composites
material
Composites structure
4
Multiscale Nature of Composite Materials
10 1m
100m
-2
10 m
面向制造的设计（DFM）：制造缺陷与成本的预估——从概念设计到细节设计
12
复合材料数值模拟技术
复合材料制造过程数值模拟
Finite element analysis and simulations of manufacturing process of composites and their Mechanical properties: a bibliography (1985~2003). Jaroslaw Mackerle (Sweden), 2004. Computational Materials Science. References:954 papers, conference proceedings and these/dissertations
以“材料科学系统工程”为主题的S14次香山科学会议 2011年12月21日~12月23日在北京举行在北京举行。会议名誉主席、两院院士师昌绪说：“发展制造业，材料是基础，计算材料科学有很强的生命力。”
“材料基因组工程”与“人类基因组工程”类似，通过高通量的第一性原理计算，结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分，晶体/分子结构和各种物性的数据库，并利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息，拓宽材料筛选范围，集中筛选目标，减少筛选尝试次数，预知材料各项性能，缩短性质优化和测试周期，预先规划回收处理方案，从而加速材料研究的创新。
《材料科学与工程前沿》
复合材料数值模拟技术
李艳霞
2012.5.9
1
提纲
¾ 数值模拟在复合材料领域应用 ¾ 典型工艺过程数值模拟 ¾ 应用案例
2
Materials Genome Initiative 材料基因组计划
2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership, AMP)计划，而“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative, MGI）是AMP计划中的重要部分之一，其目标是帮助美国企业发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍，缩短先进材料从开发到推广应用的时间。从而促进美国制造业的复兴，保持美国的全球竞争力。
14
热压(罐)成型过程数值模拟
（1）主承力结构大量应用；（2）传热方式：包括各类铺层材料和模具等在内的
成型组合系统内部的热传导；（3）加压方式：罐内气压，抽真空
15
热压(罐)成型过程数值模拟
热压罐成型
热传递
固化反应
树脂流动纤维密实
制件质量
孔隙产生与消除
固化变形
16
热压(罐)成型过程数值模拟
复合材料层合板与开孔试片基于解析单胞模型（GMC）的多尺度算法损伤模式，强度
含缺陷试片压缩强度基于解析单胞模型（GMC）的多尺度算法
10
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
微观尺度纤维/树脂界面相形成纤维/树脂界面相表征纤维/树脂界面粘结强度
13
复合材料数值模拟技术
二十世纪前人类认识世界的两种手段
做试验，靠经验建立数学物理模型（大多是偏微分方程），做理论分析
二十世纪出现的第三种手段
由电子计算机求解数学物理模型的数值仿真与数值试验
有限元法、有限体积法是数值求解偏微分方程的最重要的数值方法获得数值解——方程的近似解，区别于解析解数值解的验证是保证数值模拟有效性的关键；数值模拟是可视化实验过程，揭示内在机制的有效手段
7E7
Nanocomposites 10- 9m
10- 6m
-4
10 m
5
Multiscale Nature of Composite Materials
6
Multiscale Nature of Composite Materials
Full-scale analysis
Transmission and relationship between the micro- to vehicle scale
7
Multiscale Nature of Composite Materials
AIM-C Program（2001－2004）American
全尺寸
部件
次部件
元件
传
材料
(试验为主)
统 6‐8年
15000试验
全尺寸验证
未
材料参量
来ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(模拟为主)
2‐3年
1500试验
保保障障可可靠靠性性，，降降低低结结构构重重量量，，提提高高结结构构效效率率
含界面相的复合材料性能分析单向板基本性能层合板关键使用性能层合板湿热性能演化
复合材料虚拟设计基于性能预测的反向结构、材料、界面设计
11
复合材料数值模拟技术
复合材料结构制造与数值模拟
在设计早期对制造缺陷与成本进行科学、定量的评估，确保设计方案的可制造性与可生产性。
8
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
提供科学、全面、可靠的评价结果，避免过大设计冗余，支撑复合材料结构的高效设计。
开发与应用虚拟测试方法，是风险管理与取证方法的最新发展趋势
9
复合材料数值模拟技术
复合材料性能表征与失效分析
复合材料单向板纤维、基体、界面三相模型（代表性体积元，RVE）刚度、强度、强度包络线
成型过程机理
几何造型
理论模型
计算方法
计算程序
参量测试方法边界条件
后处理显示
结果分析实验验证指导工艺、优化工艺参数
17
（1）热传导/固化反应过程数值模拟
热（1）包括各类铺层材料和模具等在内的成型组合系统传内部的热传导；递（2）热压罐内加热单元对制件和模具的加热。
理论模型