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復(fù)合材料零件的生產(chǎn)依賴于越來越多的加工技術(shù)，這些技術(shù)對零件的性能有很大的影響。通常會使用過程模擬工具針對特定材料優(yōu)化制造過程，而常用的技術(shù)有注塑成型、注塑壓縮成型、壓縮成型等。所有這些方法都與短、長和連續(xù)纖維增強塑料結(jié)合使用，以提高強度。復(fù)合材料在很大程度上受到零件制造工藝的影響，這可能導(dǎo)致最終制造零件的材料行為不均勻，給設(shè)計過程增加了另一個挑戰(zhàn)。

制造、微觀結(jié)構(gòu)、材料特性和最終性能是相互依賴的

為了達到某些特定性能約束實現(xiàn)最佳設(shè)計，必須對加工步驟、結(jié)構(gòu)設(shè)計甚至材料本身進行優(yōu)化循環(huán)。零件的最終性能將同時取決于這三者，因此同時考慮它們是很重要的。如今可以建立多尺度模擬，其中所有三種影響因素可完全耦合，因此可以用一種獨特的方法進行研究，從而實現(xiàn)更精確的分析和更短的設(shè)計周期。

復(fù)合材料通常由嵌入增強物的基體組成?；w相和增強相根據(jù)其特性和性能、具體應(yīng)用進行調(diào)整。通過改變復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，這些材料性能也得到了調(diào)整，從而產(chǎn)生了一系列不同的宏觀響應(yīng)，這些潛在可能的變化可能包括增強體含量或形狀，短纖維、長纖維或連續(xù)纖維。這些參數(shù)不同以便定制最終的材料性能。

無論使用何種復(fù)合材料，定制的性能以及它們的實際效益在很大程度上取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)，這就是設(shè)計的復(fù)雜性所在。制造過程對材料的微觀結(jié)構(gòu)有著直接的影響。這意味著加工步驟將定義零件中的局部材料特性，而這些特性可能因位置而異，并直接導(dǎo)致整個復(fù)合材料零件中的一系列材料屬性。這種性能分布將直接影響復(fù)合材料設(shè)計的整體性能。因此，零件的制造、局部微觀結(jié)構(gòu)、材料性能和最終性能是相互依賴的。

為了充分利用定制的復(fù)合材料，必須考慮所有這些影響因素。在這種情況下，需要建立基于加工模擬的耦合分析，并將影響映射到結(jié)構(gòu)分析。連接加工和性能的關(guān)鍵部分是材料模型，它必須能夠根據(jù)工藝模擬預(yù)測的材料微觀結(jié)構(gòu)輸入來預(yù)測局部復(fù)合材料性能。這一目標(biāo)可以通過建立基于細觀力學(xué)模型的多尺度分析來實現(xiàn)。

此類分析首先需要輸入基體和增強相的單獨屬性，然后根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的附加信息重新組合，以計算材料的局部性能。所得到的材料模型是微觀結(jié)構(gòu)的函數(shù)，能夠描述復(fù)合材料在各種載荷作用下的剛度和失效，并自動包含材料的各向異性。將材料模型定義為微觀結(jié)構(gòu)的函數(shù)，建立耦合多尺度分析的另一個挑戰(zhàn)來自于通過工藝模擬預(yù)測復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)。

對于目前常見的注塑成型、壓縮成型等，目前都有商業(yè)軟件工具用于執(zhí)行處理模擬。但是重要的是要了解不同方法的加工模擬和結(jié)果不同，微觀力學(xué)模型也可能特定于材料。在進行耦合分析之前，需要提出的關(guān)鍵問題包括：

• 是否存在所需制造方法的加工模擬？
  

• 這種加工模擬是否提供了可用于微觀力學(xué)建模的局部微觀結(jié)構(gòu)的信息？
  

• 是否存在描述所需復(fù)合材料性能的微觀力學(xué)材料模型？
  

當(dāng)所有這些問題都能得到肯定的回答時，至少可以實現(xiàn)耦合分析的基本方法。對于短纖維增強塑料，其耦合分析比較常見?；诰人剑詈蟿偠确治觯ò囟群蛻?yīng)變率相關(guān)性）在過去幾年中已發(fā)展成為一個標(biāo)準(zhǔn)。該工藝也可用于長纖維增強塑料（LFRP）。

單向復(fù)合材料和機織復(fù)合材料的復(fù)合設(shè)計從材料層面上的材料表征開始，然而在試樣層面上，纖維每層堆疊中的取向很容易描述，也很容易合并到模擬模型中，但當(dāng)轉(zhuǎn)向真正的零件時，情況變得越來越復(fù)雜。這類零件具有曲面，通過某些制造方法生產(chǎn)時，曲面將影響纖維的局部取向。

總之，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。零件的制造、局部微觀結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生的復(fù)合材料性能和最終性能是相互依賴的。為了充分利用定制復(fù)合材料的性能進行優(yōu)化設(shè)計，必須考慮所有這些影響。隨著所有行業(yè)不斷推出更輕量化的結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料設(shè)計將是未來成功的基本組成部分。