基于Helius的航空航天复合材料的分析设计研究

1引言

　　复合材料是根据两种或者两种以上具有不同化学或者物理特性的组分材料所构成的新型材料，具备了和组分材料不相同的特性[1]。复合材料具有质量轻、比强度高、比模量大、力学可设计性与抗疲劳性等各种具体特征，已经广泛地应用在航天航空、造船、汽车、建筑与化学工业等各种生产领域。在航空航天的实际结构应用领域中，应用复合材料能够使得航空材料的质量明显降低，很好地改善气动性能与提高结构效率和使用寿命。传统模式的复合型材料研制使用配方试探的方式，设计出结构化细致的复合型材料，存在着研发周期长、研制成本高等各种缺点。然而应用有限元法能够利用仿真技术对材料实现性能分析与优化设计的目的，从而降低生产研发的实际成本与缩短相应的生产研发周期。

　　2复合材料设计应用方法

　　在宏观层面的分析法当中，假设材料为均匀分布的，把各组分材料的实质影响作为复合材料的平均表现性能来进行充分考虑。材料的各种类型参数定义于宏观尺度的方面上，是在宏观尺度上的某一种平均值，称其为表观参数。使用宏观分析的方法，将会形成相应的问题，其一为使用均质材料实行分析则不可以精确地计算得到符合实际的结果；其二为会导致过分保守化的设计[2]。

　在微观层面分析法当中，认为材料是呈现多组分的特点，并且研究各个组分材料相应的相互作用。使用非均质力学的手段叙述各个相中的真实应力场与应变场，在某部分假设的基础上构建起分析模式，以模拟、分析与预测复合材料的宏观力学特性。应用这种分析方法存在着各种问题，其一为微观力学有限元模型形容的是一个理想化的微观式结构，然而非实际化的结构，例如不能考虑实际结构中纤维分布状况的随机性与缺陷；其二为纤维/基体的界面机械与热属性知识不足，界面相应的刚度属性不能够在微观有限元模型中得以体现；其三为构建三维微观力学模型需要耗费时间。

　　3Helius的仿真分析过程

　　Helius是由美国Firehole公司专门对于航天航空复合材料进行分析而开发出的一种复合材料分析技术，使用多组分分析技术实现相应的力学研究[3]。其大致的分析流程如下：

　　⑴定义有限元分析相关的所需输入，包含MCT分析所需的标准模式工程测试数据等。

　　⑵递交有限元求解器进行计算，在这实质过程当中，Helius：MCT子程序是有限元分析所提供本构关系材料数据与完成组分应力/应变的提取计算。

　　⑶实行有限元后处理。能够查看各个分层对应于各组分的应力、应变与失效因子等信息。

　　4Helius的技术实现分析

　　4.1MCT多组分应力分解技术

　　复合材料的损坏首先会发生在微观层面上，并且会以渐近破坏的模式实行扩展，包含基体的局部损伤和扩展，纤维的局部发生断裂等方面。为了能够保证精确预测到复合材料的各种实质的力学行为，需要构建出复合材料的微观力学模型，由多组分角度实行模拟，然而传统模式的宏观分析与微观分析的相应方法都不能够精确模拟出这些损坏情况。

　　4.2MCT“原位”材料属性提取技术

　　因为复合材料的成型工艺有所不同，比如固化温度、压力、变形和化学环境等方面的不同，所以复合材料中各个组分的材料属性和单组分的这种材料的属性存在着一定程度的区别。在复合材料的有限元分析过程当中，怎样叙述各个组分的材料属性仍存在着一定程度的困难。另外复合材料中的纤维分布体现出随机性的特点，有些局部的纤维会出现相互接触的状况，然而有部分区域的纤维距离显得较远，怎样在有限元模型中叙述这种随机性特点相对会比较困难，而且对于纤维/基体的界面与热属性的相关理论不多，界面的刚度属性不能够在微观有限元模型中得到相应的描述[4]。

　　4.3MCT高效准确的渐进损伤演化分析

　　Helius根据复合材料中提取出各个组分的平均应力与最大应变，从而来预测材料的损伤演化与后续破坏状况[5]。以单向纤维强化复合材料为例，应用MCT渐近损伤分析时通常包括三种损伤状态，其一为基体与纤维都没有发生破坏；其二为基体发生断裂而纤维没有发生断裂；其三为基体与纤维都发生断裂。然而传统模式的有限元分析方法不能够考虑损伤的第二个基体发生断裂而纤维没有发生断裂的阶段，应当应用MCT渐近损伤演化进行相应分析，才可以更加准确分析出复合材料的整个损伤过程，促使在纤维/基体层面的渐近损伤分析趋向于准确与合理的结果，从而能够突破传统模式复合材料分析的首层破坏相应的局限特性，实现材料充分利用的目的，进行减重设计。

　　5结束语

　　本文介绍了新型的MCT多组分分析技术的基本原理和主要技术特点。经过应用MCT多组分分析技术，能够获得复合材料内部结构的各个组分信息，可以更加准确地预测到复合材料的刚度与渐近损伤演化过程，这项技术对于航天航空复合材料的损坏机制研究与减重设计具有相当巨大的实际意义。

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基于Helius的航空航天复合材料的分析设计研究

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