趙 亮，肖納敏

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

近幾十年來(lái)，隨著樹(shù)脂基復(fù)合材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展，以碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料為代表的新型復(fù)合材料在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、兵器等裝備上得到了廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)成為具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵技術(shù)。先進(jìn)復(fù)合材料的制備與應(yīng)用水平在某種程度上已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家材料與制造水平的代表，特別是在航空航天等領(lǐng)域，一代裝備，一代材料，裝備水平與材料技術(shù)緊密聯(lián)系在一起［1］。先進(jìn)樹(shù)脂復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，具有比模量大、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等系列優(yōu)點(diǎn)，自20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，樹(shù)脂基復(fù)合材料在軍用和民用飛機(jī)上的用量顯著增加，如F-22和F-35 的復(fù)合材料用量分別達(dá)到24%和35%，波音的新一代夢(mèng)想飛機(jī)B787 用量更是高達(dá)50%。

復(fù)合材料零部件研制具有工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、研制周期長(zhǎng)、制造成本高的特點(diǎn)，數(shù)值模擬仿真技術(shù)是解決這些問(wèn)題的有效手段之一。與金屬材料相比，復(fù)合材料具有設(shè)計(jì)制造一體化的特點(diǎn)，更加注重制造對(duì)于設(shè)計(jì)的影響，因此樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的成型過(guò)程顯得格外重要。當(dāng)前，隨著數(shù)字化技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)內(nèi)眾多構(gòu)建設(shè)計(jì)制造一體化的數(shù)字化復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造體系顯得尤為關(guān)鍵。當(dāng)前，先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制件成型工藝主要包括RTM（Resin Transfer Molding）成型工藝、熱壓罐成型工藝、模壓成型工藝、纏繞成型工藝、鋪放成型工藝等。這些工藝仿真軟件的研發(fā)將有效促進(jìn)數(shù)字化復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造體系的不斷完善。

1 軟件概述

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件主要指圍繞如何提高先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制件質(zhì)量和優(yōu)化成型工藝而研發(fā)的成型工藝仿真軟件，該系列軟件隨著先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝及模擬仿真技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。全球市場(chǎng)上主流的樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件通常按照工藝類(lèi)型劃分，包括RTM 成型工藝仿真軟件、熱壓罐成型工藝仿真軟件、模壓成型工藝仿真軟件、纏繞成型工藝仿真軟件等。從核心的求解器部分來(lái)看，軟件主要功能可分為流場(chǎng)溫度場(chǎng)及固化變形兩大部分。其中在流場(chǎng)計(jì)算方面，RTM 成型工藝仿真軟件的流場(chǎng)計(jì)算主要涉及液態(tài)和半固態(tài)，以有限體積和有限元方法為主，而熱壓罐成型工藝的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)計(jì)算主要以氣態(tài)為主，因此有限體積方法在這一工藝中更為主流。固態(tài)應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算的求解器目前均是基于有限元方法。

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件研發(fā)前期大多以高校為主，主要進(jìn)行基礎(chǔ)理論及算法研究，后續(xù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，以軟件公司的形式進(jìn)行，并最終被更大的公司收購(gòu)以便維護(hù)和推廣應(yīng)用。以最為知名的RTM 工藝仿真軟件PAM-RTM 為例，PAM-RTM 最初的名字是RTM-FLOT，該軟件由Gauvin 等開(kāi)發(fā)；進(jìn)入21 世紀(jì)后，RTM-FLOT 被法國(guó)ESI 集團(tuán)收購(gòu)，并更名為PAM-RTM，2015 年P(guān)AM-RTM集成于法國(guó)ESI 集團(tuán)VE 平臺(tái)，并更名為Visual-RTM，成為ESI Composite 的一部分。

就商業(yè)軟件而言，先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件歸屬于復(fù)合材料仿真分析軟件，目前主流的均為少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品，主要集中在少數(shù)幾家軟件巨頭，正朝材料計(jì)算—設(shè)計(jì)—制造的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化仿真方向發(fā)展。法國(guó)ESI 集團(tuán)最先推出復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化解決方案，從鋪層設(shè)計(jì)及力學(xué)性能預(yù)測(cè)SYSPLY、設(shè)計(jì)優(yōu)化PAM-OPT、模壓成型工藝仿真軟件PAM-FORM、RTM 成型工藝仿真軟件PAM-RTM、熱壓罐成型工藝仿真軟件PAMAUTOCLAVE、固化變形仿真軟件Distortion 到服役及失效分析VPS，如圖1 所示。美國(guó)MSC 也推出了復(fù)合材料解決方案，包括多尺度分析DIGIMAT、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、失效、優(yōu)化及制造分析的MSC Composite，基本涵蓋了復(fù)合材料工業(yè)技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)、材料、制造等領(lǐng)域，各軟件功能相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，形成一整套相對(duì)完整的復(fù)合材料仿真體系。法國(guó)達(dá)索提供了復(fù)材PLM 平臺(tái)，包含材料計(jì)算Materials Studio、設(shè)計(jì)CATIA、驗(yàn)證Simulia、虛擬制造DELMIA、數(shù)據(jù)管理ENOVIA。德國(guó)西門(mén)子推出了STS 復(fù)合材料整體解決方案，包括鋪層設(shè)計(jì)Fibersim、熱壓罐成型工藝仿真軟件Samcef、模面補(bǔ)償設(shè)計(jì)NX Morphing。

Fig.1 Design and manufacturing integrated simulation analysis process of ESI group composite materials圖1 ESI 集團(tuán)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化仿真分析流程

2 算法與技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝的基礎(chǔ)理論、模型與算法是開(kāi)發(fā)仿真軟件的核心。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提升與算法研究的逐漸深入，眾多科研機(jī)構(gòu)逐漸將計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真。RTM 工藝和熱壓罐工藝是國(guó)內(nèi)航空航天等行業(yè)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型的主流工藝，因此重點(diǎn)對(duì)這兩種工藝的仿真技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。從基礎(chǔ)模型看，這兩種工藝的仿真技術(shù)均可分為溫度場(chǎng)流場(chǎng)計(jì)算和固化變形計(jì)算兩個(gè)部分，由于固化變形仿真這兩種工藝的原理差異不大，因此先對(duì)差異較大的溫度場(chǎng)流場(chǎng)計(jì)算部分進(jìn)行論述，再對(duì)固化變形仿真進(jìn)行論述。

2.1 RTM 成型工藝

RTM 成型工藝是目前備受關(guān)注的復(fù)合材料制造技術(shù)之一，也是最為成熟的工藝方法之一。RTM 的基本原理是在一定的溫度和壓力下，利用注射設(shè)備將符合特定要求的專(zhuān)用低粘度樹(shù)脂注入預(yù)先鋪放好纖維增強(qiáng)材料的閉模型腔中，樹(shù)脂體系在模具中流動(dòng)并且逐漸浸潤(rùn)纖維增強(qiáng)材料，然后在一定時(shí)間內(nèi)固化成型，制成具有一定性能和結(jié)構(gòu)要求的復(fù)合材料。RTM 工藝主要包括以下幾個(gè)階段：纖維增強(qiáng)材料（纖維預(yù)制體）設(shè)計(jì)和制備、纖維預(yù)制體鋪放、合模、樹(shù)脂注入和固化、脫模以及后處理等。RTM 成型具體工藝過(guò)程如圖2 所示。其中，樹(shù)脂的注入（充填）和固化是最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，RTM 整個(gè)工藝過(guò)程中的主要物理和化學(xué)過(guò)程基本都發(fā)生在這兩個(gè)階段。充填和固化不僅對(duì)復(fù)合材料制品的質(zhì)量和性能產(chǎn)生重要影響，還很大程度地決定了復(fù)合材料制品的成型周期和生產(chǎn)成本。

就仿真而言，以上過(guò)程可分為以流場(chǎng)和溫度場(chǎng)為主的充填過(guò)程和以固化變形為主的固化脫模過(guò)程。其中，充填過(guò)程由于樹(shù)脂到模具型壁的熱傳遞速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樹(shù)脂的充填速度，因而可以近似認(rèn)為樹(shù)脂的溫度等于模具型壁的溫度，即所謂的等溫充填。RTM 仿真大多從等溫充填開(kāi)始，再開(kāi)發(fā)非等溫充填。在等溫充填過(guò)程中，將樹(shù)脂的流動(dòng)視為不可壓牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，宏觀上遵循Darcy 方程和連續(xù)性方程。

Fig.2 Specific process of RTM圖2 RTM 工藝具體過(guò)程

20 世紀(jì)80 年代，國(guó)際眾多RTM 工藝研究機(jī)構(gòu)利用仿真技術(shù)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。到20 世紀(jì)90 年代初期，一些代表性RTM 工藝仿真軟件不斷被開(kāi)發(fā)完善，并逐步進(jìn)入應(yīng)用環(huán)節(jié)。其中，美國(guó)密西根州立大學(xué)的LMPC、美國(guó)Delaware 公司的LIMS、Ford 公司的CFILL 及Gauvin 等開(kāi)發(fā)的RTM-FLOT 是其中開(kāi)發(fā)較為完善的軟件［2］。Lin 等［3］、Lim 等［4］、Shojaei［5］運(yùn)用有限元方法對(duì)RTM 樹(shù)脂流動(dòng)進(jìn)行了三維等溫模擬，并基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；Shojaei 等［6］基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格運(yùn)用控制體/有限元（CV/FEM）對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了三維非等溫模擬。

國(guó)內(nèi)學(xué)者緊隨國(guó)外的研究腳步，開(kāi)展了大量研究工作。在此基礎(chǔ)上，梁志勇等［7］開(kāi)發(fā)了具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RTM 工藝仿真軟件BHRTM，該軟件具有較好的適應(yīng)性，可在二維空間尺度實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面造型與自動(dòng)網(wǎng)格劃分，支持具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算，后處理方面也具有較好的易用性，可以對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)和壓力場(chǎng)演化過(guò)程進(jìn)行偽三維顯示；李海晨等［8］結(jié)合貼體坐標(biāo)法和經(jīng)典的有限差分算法模擬了RTM 工藝的樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程，得到了樹(shù)脂流動(dòng)前沿的演化曲線及壓力場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果精度與傳統(tǒng)模型相比吻合良好；Tan 等［9］進(jìn)一步發(fā)展了RTM 工藝仿真模型，在等溫充模的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了LCM 非等溫充模和考慮液固相變過(guò)程的固化三維模擬，并編制了工藝仿真程序LCMSIM。此外，Tan 等［9］還開(kāi)發(fā)了仿真程序PORE-FLOW，可用于預(yù)測(cè)樹(shù)脂在纖維預(yù)成型體中的毛細(xì)作用、滲透率等，仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。

2.2 熱壓罐成型工藝

熱壓罐成型工藝是指將單層預(yù)浸料按預(yù)定方向鋪疊成復(fù)合材料坯料，放在熱壓罐內(nèi)，在給定溫度和壓力下完成固化過(guò)程的工藝方法。熱壓罐工藝是另外一種被廣泛使用的復(fù)合材料制備工藝，特別是生產(chǎn)蒙皮類(lèi)零件這類(lèi)薄壁件時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。到目前為止，由熱壓罐生產(chǎn)的復(fù)合材料占整個(gè)復(fù)合材料產(chǎn)量的50%以上，在航空航天領(lǐng)域，更是高達(dá)80%以上［10］。就仿真而言，熱壓罐工藝仿真主要包含罐內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真、復(fù)合材料制件的固化變形仿真兩個(gè)部分。

針對(duì)熱壓罐溫度場(chǎng)及流場(chǎng)計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，從一維到三維，尤其是隨著商業(yè)CFD 軟件的發(fā)展，極大推進(jìn)了熱壓罐復(fù)合材料制件溫度場(chǎng)的計(jì)算。Oh 等［11］模擬了樹(shù)脂基復(fù)合材料制件熱壓罐成型工藝過(guò)程，并以樹(shù)脂為內(nèi)熱源，考慮了樹(shù)脂的化學(xué)反應(yīng)放熱，推出熱傳導(dǎo)方程，并得出復(fù)合材料制件的溫度分布。Shokrieh 等［12］研究了一種動(dòng)態(tài)瞬態(tài)模型以模擬玻璃纖維聚酯復(fù)合材料的成型過(guò)程，考慮了比熱容、密度和熱傳導(dǎo)系數(shù)性質(zhì)隨溫度和固化度變化的影響，結(jié)果表明樹(shù)脂的熱力學(xué)性能對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程影響很大。分析相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱壓罐空載溫度場(chǎng)的研究已相對(duì)成熟，但在實(shí)際生產(chǎn)中熱壓罐的溫度場(chǎng)還受到復(fù)合材料構(gòu)件、成型工裝等因素的影響，因此復(fù)合材料熱壓罐成型工藝溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的模擬必須綜合考慮熱壓罐本身的進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)、加熱系統(tǒng)、壓力變化、風(fēng)扇等，加上構(gòu)件及工裝幾何、材料、擺放位置等，才能給出比較合理的模擬結(jié)果。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)熱壓罐工藝研究商用CFD軟件，在熱壓罐溫度場(chǎng)仿真方面做了大量工作。比如：北京航空航天大學(xué)賈云超等［13］利用CATIA 進(jìn)行熱壓罐幾何建模，利用FLUENT 進(jìn)行熱壓罐溫度場(chǎng)模擬，計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差在10%以?xún)?nèi)。研究結(jié)果表明，提高罐內(nèi)氣流流速、增大升溫速率、選用低比熱容與高熱導(dǎo)率的工裝材料能夠減小工裝表面的溫差，提高成型質(zhì)量；南京航空航天大學(xué)張晨群等［14］使用XFlow 商業(yè)化軟件熱壓罐強(qiáng)制對(duì)流換熱的有限元模型，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合非常好，平均誤差為1.83%，并進(jìn)一步研究了風(fēng)速、升降溫速率對(duì)框架式模具表面溫差的影響。

2.3 樹(shù)脂升溫固化

無(wú)論RTM 成型工藝還是熱壓罐成型工藝，復(fù)合材料工藝都離不開(kāi)樹(shù)脂升溫固化這一歷程。固化工藝過(guò)程中復(fù)合材料一般會(huì)經(jīng)歷5 個(gè)階段：流動(dòng)階段、凝膠—玻璃化階段、玻璃化后保溫階段、降溫階段和脫?；貜楇A段。流動(dòng)階段會(huì)發(fā)生固化收縮和熱膨脹，但由于樹(shù)脂為液體，樹(shù)脂的固化收縮和熱膨脹對(duì)復(fù)合材料的固化變形和殘余應(yīng)力的作用可以忽略。但是有研究表明，模具和纖維床之間存在相互作用力；凝膠—玻璃化階段主要發(fā)生固化收縮，盡管該階段發(fā)生的固化收縮應(yīng)變和熱膨脹不會(huì)產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力，但對(duì)固化變形會(huì)有較大影響；玻璃化后保溫階段由于發(fā)生的固化收縮應(yīng)變很小，因而對(duì)固化變形和殘余應(yīng)力的影響很?。唤禍仉A段的殘余應(yīng)力主要來(lái)源于模具與構(gòu)件、單層與單層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配；脫模回彈階段過(guò)高的殘余應(yīng)力可能會(huì)引起復(fù)合材料構(gòu)件較大的變形，甚至發(fā)生分層、斷裂等缺陷。因此，固化變形是影響復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的重要因素，是先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

圍繞固化變形問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究工作。在固化變形及殘余應(yīng)力解析解方面，Nelson 等［15］最先提出復(fù)合材料構(gòu)件固化變形解析解，構(gòu)建了預(yù)測(cè)復(fù)合材料L-型或U 型構(gòu)件的熱固化變形解析解；Arafath 等［16-17］推導(dǎo)了復(fù)合材料平板和C-型構(gòu)件的固化變形解析解。在模具對(duì)構(gòu)件固化變形和殘余應(yīng)力影響方面，F(xiàn)ernlund 等［18］就模具對(duì)復(fù)合材料L 型、U 型構(gòu)件固化變形的影響進(jìn)行研究，表明模具—構(gòu)件不同界面條件對(duì)固化變形有較大影響。固化過(guò)程中，在復(fù)合材料力學(xué)本構(gòu)模型方面，眾多學(xué)者對(duì)線彈性本構(gòu)和粘彈性本構(gòu)進(jìn)行了大量研究。其中，F(xiàn)ernlund等［19］提出的Path-dependent 本構(gòu)模型應(yīng)用較廣，該模型也被稱(chēng)為簡(jiǎn)化的粘彈性模型。

2.4 模壓成型工藝和纏繞成型工藝

國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)合材料模壓成型工藝和纏繞成型工藝也展開(kāi)了相關(guān)研究。王貴彬等［20］針對(duì)碳纖維復(fù)合材料加固件，在商業(yè)化軟件ANSYS 的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了模壓成型有限元分析；楊金利等［21］開(kāi)發(fā)了基于OpenGL 的纏繞成型仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維動(dòng)態(tài)加工的模擬仿真。

3 軟件發(fā)展現(xiàn)狀

樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件發(fā)展歷史較長(zhǎng)，從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，ES 法國(guó)ESI 公司就開(kāi)始吸收高校和研究機(jī)構(gòu)在基礎(chǔ)理論研究方面的先進(jìn)成果，以RTM 工藝為目標(biāo)，開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)。隨著算法和計(jì)算能力的不斷提升，同時(shí)也隨著制造工藝的不斷發(fā)展，許多新的工藝類(lèi)型軟件都得到了快速發(fā)展。針對(duì)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件而言，目前主流的RTM 成型工藝商用軟件包括法國(guó)ESI 集團(tuán)開(kāi)發(fā)的PAM-RTM、荷蘭Polyworx 公司開(kāi)發(fā)的RTM-Worx 等；針對(duì)熱壓罐溫度場(chǎng)及流場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外主要采用商業(yè)CFD 軟件進(jìn)行模擬，例如FLUENT、CFX、STARCD 等。法國(guó)ESI 集團(tuán)耦合FEM 和CFD 技術(shù)，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的熱壓罐工藝仿真軟件PAM-AUTOCLAVE，西門(mén)子基于Simcenter 3D 推出了熱壓罐成型工藝仿真方案；模壓成型工藝商用軟件主流的有法國(guó)ESI 集團(tuán)的PAM-FORM 等、纏繞成型工藝商用軟件有比利時(shí)材料工程有限公司（MATERIAL）的CADWIND 等。對(duì)上述軟件進(jìn)行詳細(xì)描述如表1 所示。

Table 1 International advanced resin matrix composites molding process simulation software表1 國(guó)際先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件

國(guó)內(nèi)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件研發(fā)是隨著復(fù)合材料成型工藝研究的不斷深入而逐步開(kāi)展的。中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院從2000 年開(kāi)始，依托國(guó)防復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及重點(diǎn)項(xiàng)目，開(kāi)展了先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造模擬與優(yōu)化技術(shù)研究工作，并開(kāi)發(fā)了固化模擬、熱壓工藝模擬、RTM 工藝模擬等相關(guān)軟件。最近幾年，其又開(kāi)發(fā)了熱壓罐模擬仿真軟件，具備熱壓罐罐內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析、工裝模具的溫度分布計(jì)算功能，如圖3 所示。

4 國(guó)內(nèi)外研發(fā)差距

我國(guó)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件研發(fā)前期有專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持，由高校牽頭進(jìn)行算法及模型研究并通過(guò)工業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，尚未由商業(yè)公司跟進(jìn)開(kāi)展市場(chǎng)化運(yùn)作。以北京航空航天大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的BHRTM 軟件為例，其在2001-2005 年獲得國(guó)家項(xiàng)目資助并完成研發(fā)，后續(xù)沒(méi)有開(kāi)展結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的進(jìn)一步迭代完善。國(guó)外成熟商業(yè)軟件，大多以實(shí)際工業(yè)需求為牽引，產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，由專(zhuān)業(yè)商業(yè)公司運(yùn)營(yíng)，從初創(chuàng)到成熟經(jīng)歷了二、三十年發(fā)展歷程。以ESI 集團(tuán)著名的PAM-RTM 為例，該軟件1990 年由Ecole Polytechnique de Montreal 牽頭，EADS/Paris、Ford Research 等聯(lián)合攻關(guān)開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)命名為RTM-FLOT；1998 年由L3P 繼續(xù)開(kāi)發(fā)并負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)；2001 年被法國(guó)ESI 集團(tuán)收購(gòu)并繼續(xù)開(kāi)發(fā)，2015 年融入ESI Composite 并持續(xù)開(kāi)發(fā)到現(xiàn)在，總共經(jīng)歷了30 年的開(kāi)發(fā)歷程。

由于國(guó)內(nèi)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件少有經(jīng)過(guò)10～20 年的工業(yè)應(yīng)用錘煉，并且開(kāi)發(fā)初期很少按照軟件工程思路進(jìn)行客戶(hù)需求的詳細(xì)搜集及梳理，因此在功能上表現(xiàn)出軟件架構(gòu)簡(jiǎn)單、求解器魯棒性和適用性差、界面友好性差、并行能力弱，功能單一、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性差等不足。

Fig.3 Domestic advanced resin matrix composites molding process simulation software圖3 國(guó)內(nèi)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件

目前，復(fù)合材料設(shè)計(jì)類(lèi)軟件已經(jīng)進(jìn)入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，在裝備研制生產(chǎn)中占有重要位置。復(fù)合材料工藝仿真類(lèi)軟件雖未進(jìn)入工藝設(shè)計(jì)流程，但是在產(chǎn)品研制過(guò)程中也肩負(fù)著縮短研制流程、節(jié)約成本的重要角色，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造仿真相關(guān)軟件在前后處理器及軟件的易用性等方面與應(yīng)用單位的需求有較大差距。

國(guó)內(nèi)高校、研究所在復(fù)合材料成型工藝仿真算法及理論研究上已進(jìn)行多年，并建立了相關(guān)物理模型和軟件原型。但是，國(guó)內(nèi)缺乏軟件應(yīng)用環(huán)境及商業(yè)化公司介入，致使我國(guó)至今尚無(wú)成熟樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件。

5 展望與建議

當(dāng)前，隨著信息化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的深度融合和數(shù)字化技術(shù)在制造領(lǐng)域的深入推進(jìn)，樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真技術(shù)將成為復(fù)合材料制件研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著工業(yè)軟件國(guó)產(chǎn)化需求越來(lái)越迫切，研發(fā)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型工藝仿真軟件尤為必要。結(jié)合上述綜述及調(diào)研情況，給出如下建議：

（1）優(yōu)先開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)儲(chǔ)備較好的RTM 工藝和熱壓罐工藝。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)RTM，高校已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了較好的原型程序，例如北京航空航天大學(xué)的BHRTM?？梢源藶榛A(chǔ)，進(jìn)行代碼重構(gòu)和擴(kuò)展，開(kāi)發(fā)出專(zhuān)業(yè)的商用RTM 軟件。針對(duì)熱壓罐工藝，目前雖然大多基于商業(yè)CFD 軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，沒(méi)有開(kāi)發(fā)出原型程序，但隨著國(guó)內(nèi)CFD 軟件的日趨成熟及國(guó)產(chǎn)開(kāi)源CFD 軟件的發(fā)布，可以基于這些軟件進(jìn)行熱壓罐仿真軟件開(kāi)發(fā)，例如最新發(fā)布的風(fēng)雷。

（2）工藝仿真軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)基于應(yīng)用需求，做好需求調(diào)研。RTM 工藝隸屬于LCM，LCM 包括多種工藝方式，以知名的PAM-RTM 為例，可分析LCM 中的樹(shù)脂傳遞成型（RTM）、非等溫閉模RTM（Heated RTM）、真空輔助RTM（VARTM）和真空輔助樹(shù)脂注入（VARI）、壓 縮RTM（CRTM）、樹(shù)脂固化分析（Curing）、纖維預(yù)熱分析（Pre-heating）等。就熱壓罐分析而言，雖然基于商業(yè)CFD 軟件的熱壓罐溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分析已經(jīng)得到應(yīng)用，但是距離工業(yè)需要還有一定差距。究其原因，主要是計(jì)算效率的問(wèn)題。由于熱壓罐尺寸大，而復(fù)合材料制件大多比較薄，導(dǎo)致網(wǎng)格量較大，同時(shí)整個(gè)工藝周期（升溫—保溫—降溫）較長(zhǎng)，導(dǎo)致整體計(jì)算時(shí)間也較長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足工程上對(duì)仿真結(jié)果的時(shí)效需求，更難以進(jìn)行工藝優(yōu)化計(jì)算。可將仿真技術(shù)與AI 技術(shù)或者數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合，探尋可能的算法或者模型，從而找到解決該問(wèn)題的途徑。

（3）注重復(fù)合材料特有的多尺度問(wèn)題。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有特有的多尺度問(wèn)題，例如在制造過(guò)程中，纖維剪切角的變化會(huì)直接影響后續(xù)制件的力學(xué)性能和質(zhì)量。

（4）注重固化過(guò)程仿真。在RTM 或者熱壓罐工藝成型過(guò)程中，先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的樹(shù)脂都會(huì)經(jīng)歷液態(tài)—橡膠態(tài)—玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變，尤其是橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的過(guò)程具有一定特殊性。材料的彈性和剪切模量在固化前與固化后差異較大，固化前僅為固化后的1%左右，而體積模量等特性則保持不變，在計(jì)算算法和模型上需作特殊處理。由于不同行業(yè)所用樹(shù)脂基復(fù)合材料的樹(shù)脂差異較大，因此需要針對(duì)各行業(yè)常用樹(shù)脂，建立并驗(yàn)證其固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，才能應(yīng)用于工程實(shí)際。

（5）針對(duì)應(yīng)用需求開(kāi)發(fā)復(fù)合材料特有的本構(gòu)模型。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料區(qū)別于金屬材料的最大特點(diǎn)是它的各向異性，再加上樹(shù)脂的固化方向過(guò)程，樹(shù)脂的力學(xué)特性從最初純粘性到粘彈性再到彈性，如何開(kāi)發(fā)出適合于RTM 或者熱壓罐工藝成型過(guò)程中變形分析的本構(gòu)模型，將是復(fù)合材料成型工藝仿真軟件能否應(yīng)用于工程實(shí)際的必要條件之一。