通过“类似乐高”的结构进行快速准确的复合材料层压板分析

Josiah02

　　复合材料层压板由不同材料的粘合层组成，由于其出色的强度与重量比和定制的机械性能，广泛应用于航空航天、汽车和造船等各个行业。由于纤维方向不同，强度和性能也不同，复合材料层压板的设计分析和优化需要反复进行数值模拟，以探索各种层材料和堆叠顺序。
　　对于此类模拟，研究人员通常使用基于三维 (3D) 弹性理论的著名有限元 (FE) 分析。然而，复合材料层压板的自由度 (DOF) 很大，使得 3D FE 分析资源消耗大、耗时长，并且不适用于重复模拟。因此，需要一种与 FE 分析一样准确、速度更快、更灵活的数值技术。
　　为了解决这些问题，釜山国立大学航空工程系的 Kyunghoon Lee 教授和 Shinseong Kang 教授开发了一种创新的类似乐高的复合层压板构造和分析方法。
　　“受子结构和降阶建模 (ROM) 技术的启发，我们开发了一个两阶段、离线-在线框架，该框架利用基于组件的 ROM。就像乐高积木一样，我们的技术使我们能够轻松更改层材料，包括纤维角度、层数及其堆叠顺序，以动态构建复合层压板，从而实现快速而准确的模拟，”李教授解释说。
　　他们的研究于 2024 年 6 月 21 日发表在《国际机械科学杂志》上。
　　在基于组件的 ROM 中，复杂系统被分解为更简单的子系统，然后使用 ROM 进行单独分析。这种 ROM 技术涉及开发具有较低自由度的简化模型。为了实现这一目标，研究人员利用静态凝聚 (SC) 结合端口缩减 (PR) 和缩减基元 (RBE) 方法，从而产生了 PR-SC 和 PR-SCRBE 分析方法。
　　SC 方法通过将复合材料层压板的每一层视为一个组件，允许根据需要以任意顺序堆叠任意数量的层。接下来，PR 方法减少了层连接边界的 DOF，从而加速了求解过程。最后，RBE 方法可以快速准确地评估层内域解以了解层材料的变化。
　　该技术分为两个阶段：离线阶段和在线阶段。在离线阶段，将编译一个复合层库，以参数形式表示各种层材料和纤维角度。在在线阶段，通过设置层材料、纤维角度和堆叠顺序，根据需要构建复合层压板。然后使用 PR-SC 方法或 PR-SCRBE 方法（如果需要更高的计算效率而不是准确性）分析构建的层压板。
　　研究人员在三点弯曲试验和拉伸试验中演示了该技术，评估了 PR-SC 和 PR-SCRBE 方法的准确性和效率。对于每个示例，他们使用了三种具有不同层数的复合层压板。
　　结果表明，与 FE 分析相比，PR-SC 分析的精度损失可以忽略不计，同时速度却有所提高。另一方面，PR-SCRBE 的精度损失适中，但速度却有大幅提高。研究人员建议根据需要使用 PR-SC 来提高精度，使用 PR-SCRBE 来提高效率。
　　“通过利用所提出的复合材料虚拟测试技术，我们可以确定最佳设计，同时最大限度地减少时间和材料成本。这项技术为各个领域提供了巨大潜在利益。例如，更好的复合材料可以制造出更轻、更坚固的飞机和汽车，提高燃油经济性并减少污染。
　　“此外，能源行业可以利用这项技术开发资产的数字孪生，实现实时监控并显著降低维护成本。”李教授满怀希望地强调了这项技术的潜在应用。
　　总之，这种创新技术为复合材料层压板的重复分析提供了一种可行的替代方案，取代了繁琐的 3D FE 分析技术。