CompSim多组分分析技术 -- 航空航天复合材料完美解决方案
航空航天企业复合材料现状
面对的主要挑战--减重需求
现代高科技的发展离不开复合材料。据载，对于航天、航空飞行器减轻结构重量领域而言，若喷气发动机结构重量减1Kg ，飞机结构可减重4 Kg ，升限可提高10米；若一枚小型洲际导弹第三级结构重量减轻1Kg ，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50 Kg ，地面设备的结构重量就可减轻100 Kg ，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15 ~ 20 Km ；而航天飞机的重量每减轻1Kg ，其发射成本费用就可以减少15000美元 。
可以看出，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。因此复合材料的合理使用和充分应用就显得尤为重要。
复合材料研究现状
• 宏观分析： 假定材料是均匀的，将各相材料的影响作为复合材料的平均表现性能来考虑。材料的各类参数（如应力、应变等）定义在宏观尺度上，是在宏观尺度上的某种平均值，称之为 “表观参数”。
存在问题：
1）采用均质材料分析，无法得到符合实际的结果 2）会造成过分保守设计
• 细观分析：承认材料的多相性，研究各相材料的相互作用。运用非均质力学的手段描述各相中的真实应力场和应变场，在某些假定的基础上建立起分析模式，以模拟、分析和预测复合材料的宏观力学性能。
存在问题：
1）微观力学有限元模型描述的是一个理想的细观结构，而非实际结构（纤维分布随机、缺陷难描述）。
2）纤维/基体的界面机械和热属性知识完全缺乏，界面的刚度属性无法在微细观有限元模型中体现。
3）建立三维细观力学模型耗时耗力，一般只用于院校的理论研究,不能用于大型结构 件的分析。
现阶段研究问题小结
1、分析结果的不准确直接导致减重设计不合格，增加了各种成本。
2、无法进行渐进破坏强度计算，浪费了大量的资源
3、对复合材料的理解研究越少，使用就更少
4、分析能力不足只能大量求助于样机试制、实验测试，大大增加了研发费用，延长了研发周期
MCT解决方案及公司背景
针对以上存在的问题，美国Firehole公司根据20多年复合材料领域的专业积累开发了专门用于航空航天复合材料分析的突破性解决方案-- CompSim(Multi Continuum Technology)多组分分析技术。
CompSim的核心是自动材料优化和组分应力提取技术。通过提取纤维和基体的应力/应变能更好地预测出复合材料的刚度、强度等力学性能；可以分别对纤维和基体赋予不同的破坏准则，准确地进行渐进破坏分析；独有的机织复合材料分析功能解决了大型结构件的分析难题。
Firehole公司位于美国怀俄明州，专业研究复合材料技术，核心的MCT技术依托于怀俄明大学的研究成果。目前公司的研究成果被广泛应用于美国联邦机构，如美国空军、海军研究办公室、导弹防御以及美国航空航天局。
CompSim的主要特色
1 MCT 自动材料优化技术
什么是MCT自动材料优化？
MCT自动材料优化是一个数学优化的问题，该方法通过实测的纤维/基体单组分及复合材料属性来确定用于计算的（“原位”）复合材料内部的纤维/基体材料属性。如下图：
为什么使用MCT自动材料优化？
单组分材料实验得到的（纤维或基体）力学性能不同于复合材料中的对应单组分“原位”力学性能。譬如即使基体材料属性可以从单组分材料标准块精确的实验中获得，但也不能保证它和实际的复合材料中包含的基体材料属性一致（两者的固化温度，压力，变形，化学环境及受增强纤维的影响等不同）。
另外纤维/树脂的界面机械和热属性知识现阶段完全缺乏，因此界面的刚度属性就无法在微细观有限元模型中显式表示。
考虑上述提到的差异及不确定性的其中一个方法是使用“替代组分属性”。通过“替代组分属性”（即计算用的“原位”材料属性）去补偿细观有限元模型中的误差和不确定性，而这些材料属性是通过标准的材料测试数据优化计算得到的。
MCT自动材料优化技术的实现？
MCT自动材料技术把复合材料内部的不确定性处理成一个数学优化的问题。以实测的单组分材料的属性为初值，同时建立一个典型的复合材料微细观力学模型代表性体积单元(RVE)，迭代调整这些属性使得细观有限元模型预测的复合材料属性值与实验测试的复合材料属性值之间的误差最小。
MCT使用“steepest descent”（最速下降法）优化方法减少复合材料真实测试数据与有限元模型的误差，使微细观力学有限元模型能更真实地反映实际的物理模型。
有了MCT自动材料优化技术，可以更加准确地建立与实验测试数据性能一致的复合材料微细观力学模型，从而为后续刚度、强度分析提供基础和保障。由于该方法只需要一些常用的标准实验数据，这样就节省了大量的实验费用。
2 MCT组分应力提取技术
MCT技术用于把复合材料某点的平均应变状态分解成组分的平均应变和应力。若已知复合材料的平均应变状态，MCT方法就可以在复合材料结构上的任意点上高效完成分解。MCT技术为研究非均质复合材料的的细观力学提供了新的物理学视角，通过组分平均应力和应变的获取，可以更好地预测复合材料微观结构的损伤演化和材料实效。
以单向纤维复合材料纤维和基体应力提取为例，在执行一次结构分析后，程序可以直接得到复合材结构任意点上的平均应力和应变（ 、 ），根据两组分复合材料的应力应变关系就可以把 分解成树脂和纤维组分的应力应变（ 、 、 ）。
MCT是一种从复合材料的应力和应变中提取各组分应力和应变的数值算法，而微细观力学模型是用于确定复合材料和组分间关系。对于每一个材料来说，微细观力学只使用一次，使得MCT技术对多尺度分析是非常高效的。
3 高效准确的MCT渐进损伤演化分析
从复合材料中提取各组分的平均应力和应变最大的受益在于对复合材料损伤演化和后续破坏的预测。以单向纤维增强复合材料为例，使用MCT渐进损伤分析时一般包含三种损伤状态，即“基体和纤维都未破坏”，“基体断裂而纤维未断裂”和“基体和纤维均断裂”的状态。而传统方法无法考虑损伤的第二个阶段，即“基体断裂而纤维未断裂”的阶段，使得MCT渐进损伤演化分析能更准确捕捉复合材料的整个损伤过程。
MCT渐进损伤分析可以根据破坏模式降低材料某点的刚度，从而捕捉结构整体刚度及应力的重分配。通过MCT渐进损伤分析，使得在纤维/基体层面的渐进损伤分析更准确、合理，从而突破了复合材料首层破坏的局限性，能更准确捕捉复合材料特殊的非线性行为，充分利用材料，进行减重设计。
4 独特的机织复合材料分析功能
机织材料虽然易于制造，但其内部结构相对单向复合材料较为复杂，纤维束的空间曲线呈波浪形分布的，因此其力学性能也相对更为复杂。机织复合材料缺乏现成的分析工具，针对这种状况，Helius基于MCT开发了机织复合材料分析的独特功能。
建立机织复合材料的代表性体积单元如上图，利用MCT技术，不仅可以方便进行机织复合材料的自动材料优化分析，而且可以快速提取机织复合材料的经向纤维的应力、纬向纤维的应力及其他树脂区的应力，进而进行各种机织复合材料结构件的刚度/强度分析。
5 专业的有限元软件数据接口
与ABQUS/ANSYS/NEI Nastran均有专门接口，高效提供多尺度信息。
与有限元求解器无缝集成
高效提供多尺度信息
为单向材料和机织复合材料微观力学分析提供多尺度分析
可考虑由压力引起的强度修正（如压力容器）
可进行刚度折减分析
6 复合材料疲劳分析
提取纤维/基体层面上的信息为多尺度其他分析提供了可能，例如，基体的最大应力信息可被用来计算复合材料的疲劳。通过为复合材料的基体赋予聚合物物理性能可以完成疲劳寿命预测，另外MCT已经耦合了断裂分子力学（Zhurkov[1965]），可以用最少的材料输入准确预测疲劳寿命。
7 基于经典理论的复合材料分析工具套件
Helius内置复合材料工具套件CompositePro，基于经典层合板理论CLT（Classical Laminate Theory），提供了基本的复合材料分析方法，使用为工业界广泛接受的一些方法和公式，可进行层合板、中空夹层板、管、梁等分析，可大大简化复合材料设计和分析流程。
MCT的典型工作流程
典型仿真流程过程介绍：
第一步：首先从有限元软件的界面中打开CompSim的用户界面，定义有限元分析所需的输入，包括MCT分析所需的标准工程测试数据等。
第二步：递交有限元求解器计算，在此过程中，CompSim子程序为有限元分析提供本构关系数据及完成组分应力/应变的提取计算。CompSim的材料数据库用于储存各种复合材料MCT多尺度分析需要的各种材料参数，分析过程中，MCT子程序从材料数据库中提取有限元模型各种需要的材料参数。
第三步：有限元后处理的工作，在后处理中可以查看各分层对应各组分的Failure index等信息。
Helius的技术优势和创新
传统的用于预测复合材料破坏的方法，如Tsia-wu,Hashin或Hill准则，把复合材料处理成一个均质的材料“黑匣子”，只能用于有限的运用。而CompSim所拥有的技术优势使其成为仿真复合材料的最佳选择：
MCT自动材料优化可建立准确的微细观力学模型，节省大量测试费用
先进的MCT组分应力提取技术
基于纤维和基体力学状态的复合材料强度预测巨大进步
局部组分破坏引起的复合材料刚度退化分析
业内独有的机织复合材料细观力学分析功能
与Abaqus/Ansys/ NEI Nastran等的无缝集成
快速的求解效率
考虑由于压强变化引起的基体强度修正
实际工程应用
1 优化NASA航天飞行器复合材料结构
NASA面临的挑战：由于缺乏对复合材料分析能力的信心，为了保证发射的成功导致工程师过分保守设计一些航天器结构；客户希望在确保发射成功的基础上通过优化太空结构（宇宙神-5的级间适配器）以减少发射成本。
Helius提供的解决方案
CompSim+Abaqus,包含多尺度信息的技术可以更准确地确认对应的单组分材料的破坏和折减。使用CompSim增强了结构分析软件的功能，使预测局部基体断裂的演化以及最终破坏点变得更准确。
分析结论：一个过分保守设计的结构！
大型结构件的微观力学性能分析一直是个难题，而MCT将这个困扰工程师的问题顺利解决。MCT的预测结果与物理实验测试的破坏位置一致，极限载荷误差为2.5%，更为重要的是：结果显示原始设计的强度超过了47%的飞行任务要求。如果按飞行任务要求设计，这些节省下来的质量大概可以为每次发射节约$500,000成本。通过MCT的分析圆满完成了减重设计的要求。
2 储存低温燃料的太空容器的减重设计
美国空军面临的挑战：
设计制造一个用于储存低温燃料的太空容器，新产品必须比先前的铝制容器轻而且更坚固，能准确高效预测泄漏压力的位置。虽然从传统金属材料替换成复合材料可以减少很多重量，但当前的分析工具由于无法准确预测复合材料热-结构响应而无法最大限度发挥其功用。
MCT的方案：
Helius的解决方案：MCT专注于处理纤维和基体在低温冷却状况下的热膨胀系数的不同（传统有限元软件完全忽略这些内部应力）并用这些信息去更好地预测在此温度下的机械载荷。
分析结果:
CompSim 分析的泄漏压力结果与实验误差在1.5%以内
CompSim 准确地预测出了破坏位置
CompSim的准确预测使得用复合材料容器替代铝变成可能，并获得了比原有结构更优的性能：
减重 40%
体积增加 18%
气体容量为原来 12倍
