[发明专利]用于基于数值模拟来制造由碳纤维增强复合材料制成的产品/部件的方法和系统

说明书

接收第一FEA网格模型，其表示碳纤维增强复合材料(CFRC)产品/部件的3D几何形状、预成形纤维取向和在产品/部件上的特定位置处的期望的参考纤维方向。第一FEA网格模型含有与用于碳纤维和结合基质的相应材料特性相关联的有限元。预成形纤维取向包括纤维的数量和纤维间的相对角度。工件的用于制造产品/部件的预成形2D形状通过进行一步逆向数值模拟来获得，该一步逆向数值模拟将第一FEA网格模型数值地扩展到第二FEA网格模型，基于数值地计算的结构性能，根据相应材料特性。预成形纤维取向叠加在第二FEA网格模型上，同时保留期望的参考纤维方向。通过将第二FEA网格模型的所叠加的纤维取向与第一FEA网格模型互关来确定产品/部件上的所有纤维间的相对角度。

技术领域

本发明大体上涉及计算机辅助工程分析，更具体地涉及用于基于数值模拟(仿真)来制造由碳纤维增强复合材料(CFRC)制成的产品/部件的方法和系统。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRC)是一种含有碳纤维的极其坚固的以及轻质的纤维增强塑料。CFRC的生产成本很高，但通常用于需要高强度重量比和刚性的地方，诸如航空航天、汽车、土木工程、体育用品以及越来越多的其他消费者和技术应用。

CFRC的材料特性包括两部分：结合基质(例如树脂体系中的环氧树脂)和碳纤维。与各向同性材料如钢和铝不同，CFRC具有定向强度特性。CFRC的特性取决于碳纤维的布局和碳纤维相对于结合基质的比例。预成形二维工件(即，下文中称为“预浸料坯”)的初始纤维取向和形状影响成品。为了减少设计/生产周期时间，需要预先确定预浸料坯中的碳纤维布局。许多现有技术方法已经基于确定适当预浸料坯的试错法。

随着计算机技术的出现，计算机辅助工程分析(例如，有限元分析(FEA))已被用于帮助工程师/科学家设计产品和制造程序，例如，预测由CFRC制成的预成形工件的初始形状和纤维取向。然后可以根据数值计算的初始形状和纤维取向来创建物理预浸料坯。为了充分和数值地计算由CFRC制成的产品/部件/结构的结构性能，首先在测试实验室中获得CFRC的材料特性。现有技术方法已经通过使用各种材料类型(例如，塑性、超弹性、粘塑性等)将CFRC作为单个本构方程(即，应力对应变关系)处理。然而，这些都不能充分表征CFRC的机械性能。为了使用数值模拟来帮助工程师建立产品/部件的物理制造(例如，预浸料坯配置)，期望具有改进的用于数值地计算由碳纤维增强复合材料(CFRC)制成的产品/部件的结构性能的方法和系统。

发明内容

本部分的目的是总结本发明的一些方面并简要介绍一些优选实施方式。可以对本部分以及本文的摘要和标题进行简化或省略，以避免模糊本部分的目的。这种简化或省略不旨在限制本发明的范围。

公开了基于数值模拟来制造由碳纤维增强复合材料(CFRC)制成的产品或部件的系统和方法。根据本发明的一个方面，在计算机系统中接收第一FEA网格模型，其表示CFRC产品/部件的3D几何形状、预成形纤维取向和在产品/部件上的特定位置处的期望的参考纤维方向。第一FEA网格模型含有许多与用于碳纤维和用于CFRC的结合基质的相应组的材料特性相关联的有限元。预成形纤维取向包括纤维的数量和纤维间的相对角度。通过进行一步逆向数值模拟来获得工件的用于制造产品/部件的预成形2D形状，该一步逆向数值模拟基于数值计算的结构性能，根据相应组的材料特性而将第一FEA网格模型数值地扩展到表示2D形状的第二FEA网格模型。预成形纤维取向叠加在第二FEA网格模型上，同时保留期望的参考纤维方向。然后通过将第二FEA网格模型的所叠加的纤维取向与第一FEA网格模型互关来确定产品/部件上的所有纤维间的相对角度。迭代地执行数值扩展，使得第二FEA网格模型中的所有有限元之间满足力平衡条件。第二FEA网格模型的数值地计算的结构性能来自由碳纤维的非线性弹性变形和由结合基质的分段线性塑性变形的组合效应。根据公式，基于第一FEA网格模型中的期望的参考纤维方向与第二FEA网格模型的当前状态之间的局部变形梯度来计算非线性弹性变形。

在另一方面，数值地获得的工件的2D形状用于在产品/部件的物理制造中建立预浸料坯，例如，预浸料坯的大小、形状和纤维布局取向。