高性能复合材料结构研制方案

1、高性能复合材料结构研制方案Fibersim-复合材料创新设计、验证与优化Agenda挑战复合材料研制的挑战创新解决方案复材仿真解决方案复材设计解决方案复材制造解决方案成功案例初步设计设计演变详细设计制造规划总结复合材料研制的挑战设计复合材料结构件研制困局 分离的多学科仿真与验证制造设计卓越的复材结构研制取决于协同的有效性仿真与验证制造达到卓越的复合材料产品的研制并行开发，通过产品开发团队传达产品定义和变更的能力，将行业领导者与落后者分开。专业化、独特的复材能力应用是另一个特点。高效的模仿企业战略领导企业苦苦求生 的落后企业高成本创新企业并行工作程度（按照研发周期的时间来算）低高整个供应链使用统

2、一的专业复合材料研发工具慢快采用制造约束的设计优化方法集成设计与分析 增加设计流程的次数减少复材结构重量 符合性能要求仿真真实世界的性能 更好地理解设计边际避免过设计 减少不确定性，在设计边际内增强信心结构性能加速研制过程 连接设计、仿真与制造制造工艺材料设计设计 仿真 优化针对复合产品研制的西门子解决方案强大的设计方法论制造仿真与集成集成化的 复材研制 解决方案结构化的、基于模型的 定义过程嵌入在CAD与PLM系统 内的集成化的、基于模 型的设计方法通过仿真和试验进行 验证专业化的仿真、试验和验证管理的能力“制造车间的窗口”验 证 “向左移”提供给制造 更好的设计。理解设计选项对成本和 时间

3、的影响高效性能分析没有一个单一的应用程序可为复材 研制团队提供制造约束的设计优化 方法，而且在并行的流程中提供专 业化的强大的解决方案。针对复合产品研制的西门子解决方案西门子提供经过验证的 支持高度并行设计过程的 先进复合材料研制解决方案集成化的 复材研制 解决方案SimcenterPortfolioFibersim PortfolioTeamcenter Manufacturing Portfolio结构化的、基于模型的 定义过程嵌入在CAD与PLM系统 内的集成化的、基于模 型的设计方法通过仿真和试验进行 验证专业化的仿真、试验和验证管理的能力“制造车间的窗口”验 证 “向左移”提供给制造

4、 更好的设计。理解设计选项对成本和 时间的影响应对复材结构件研制挑战的开放、专业的解决方案制造可生产性分析复材结构分析性能验证生产初步设计复材设计制造数据集Plan for ManufactureCreate GeometryManage DataTeamcenter ManufacturingNX (or other CAD)ExSpilmorceenDteesrigHnEESDpaSceSimulate PSeirmfocremntaenrc3eDand CuringDesigSnynAcsrsoefmit bliesDesign LaminatesFiabnedrsAimssess Pr

5、oducibilityTeamcenter提高复合材料产品开发流程效率一体化高效的设计分析流程保证了更多的优化 迭代提供了多种灵活的方式保证了设计同分析之间 复合材料铺层信息的传递（包括真实的纤维朝 向）西门子提供开放的平台，支持不同的分析工具 和方法，提高了研发灵活性并降低成本复合材料研制西门子解决方案更加快速、高效的工作流 保证了协同研发流程设计空间探索和高效的求解器 降低成本并实现最优设计全面的解算分析能力支持标准的验证方法独有的解算方案针对 特殊的复合材料仿真挑战专门的固化解算方案提高制造流程效率Simcenter 概述专注复合材料仿真的工业级解决方案Simcenter Enginee

6、ring DesktopTitleSimcenter 3D 复合材料解决方案仅西门子能够提供如此全面的仿真解算能力强大的几何编辑能力及业内领先的相关性CAE建模提供专门的复合材料分析方法仿真多物理场复合材料行为并同时考虑设计、测试和数据管理知识捕捉和流程自动化，并推广到整个团队通过独特的优化方法来平衡产品不同的特性设计空间探索引擎和方法Simcenter HEEDS自动化并加速复合材料工程设计流程.驱动产品创新.更快的发现最优设计BuildTestImproveAssess流程自动化分布式执行高效的设计空间探索洞见与发现响应设计变更V= /?设计输入Simcenter 3D在CAE建模能力上独

7、有的广度与深度Simcenter 是市场上唯一的一款即包含应用的广度和专业的深度的前后处理+求解器平台 带给工程师们:高效的建模流程 + 精准的仿真分析 + 定制化的用户界面环境搜索/导入数据修改/编辑几何网格划分载荷边界条件更快的初始迭代模型快速更新保证更多迭代次数 Siemens AG 2018Page 18复合材料零件 仿真方法及专长详细仿真方法西门子提供技术支持强度/ 刚度- 失效分析90% 的应用Simcenter 3D提供了很好的支持比较不同制造工艺选择：固化周期、铺层定义、避免意外的分层非线性分析 紧固件分析, 屈曲/后屈曲, 渐进损伤制造工艺仿真复合材料结构固化分析试点项目(研

8、究, 开发, 定制)试点项目（优化、 疲劳等）其它解决方案-一体化,开放,和专门的复合材料设计方法 定义纤维朝向设计数据交换Simcenter 3DNX NastranSamcefFibersim基于设计标准的更快更准确的 层压板定义可制造性反馈用于减少昂贵的后期变更在应对设计变更上，减少高达50%的设计工作早期并且持续更新BOM，从而实现并行过程“制造车间的窗口”支持高效的制造工艺Fibersim 概述世界领先的复材设计能力FibersimFibersim是一款兼容多种CAD软件的解决方案FIBERSIM在所有CAD平台上都能提供相同的用户体验Fibersim提供了复材研发专用方式只有西门子

9、可以提供这些专用功能灵活的设计方法，支持手工敷层捕捉所有数据，确保可制 造性可对复杂的设计进行有效优化支持强大的分析工作流简便的过渡区定义基于铺层基于区域基于目标层压板规格机翼/机身的自动设计可自动铺叠材料将区域方法与铺层方法结合在一起区域方法与铺层方法的最佳之选允许后续设计修改，不会增加繁琐 的工作量基于多铺层基于结构Fibersim可为研发流程所有阶段提供高效的设计-分析工作流Simcenter或 其他CAE软件Fibersim直接导出至Simcenter 或Open Exchange直接导出至Simcenter 或Open Exchange直接导出至Simcenter或Open Exch

10、ange初步设计详细设计设计改进成功案例 复合材料研发成功案例：初步设计挑战在满足广泛的操作包线的层合板设计约束的前提下最小化UAV的重量和成本解决方案利用Siemens工具在虚拟原型机上执行数千个测试施加212个设计变量，20个载荷工况优化约束包括材料失效、屈曲、刚度、可制造性等收益 Siemens finds high performing designs that intuition and experience alone cannot.” - ST Aerospace实现高达12%的结构减重在设计迭代早起发现可行的设计航空复合材料结构设计空间探索优化结构重量和成本Constraint

11、 Violations 高度约束的设计空间在所有分析的设计中有35%是不可行的纤维结构在初步设计中的并行仿真 在机身壁板上的纤维方向比较挑战分析表示通常采用与飞机坐标系对准的纤维方向，而不是零部件中的实际纤维方向。这可能会导致不准确的模型。解决方案使用西门子的功能创建测地线模拟预期纤维路径，确保与纤维丝束预期生产一致。收益比较从分析和制造分别代表的纤维的取向。在分析模型中决定是否改变取向，以确保合适的材料性能。比较纤维方向分析表示纤维仿真初步设计权衡分析线性结构行为和纤维仿真挑战高效的尺寸设计方法利用首层失效判据进行快速尺寸设计理解纤维的行为解决方案高性能的有限元求解器和准确的解析方案利用有限

12、元求解进行大量失效准则计算模拟了纤维的行为以增加模型精度收益减少CPU时间并提高精度真实纤维朝向的计算增加了设计裕度可信度Simcenter提供了整套流程的扩展性:求解器方面的性能Simcenter Composites提供了一些选项红色区域显示纤维朝向的偏差大于预期成功案例：设计迭代利用同步建模技术搭建和更新仿真模型复合材料FEM和设计模型定义的互相传递挑战迭代设计过程中需要不断搭建和重建分析模型，浪费时间解决方案利用Siemens独有的同步建模技术和CAD/CAE模型之间的 相关性，可以快速的在设计几何的基础上构建和重新定义分 析模型收益保证更加快速和高效的设计迭代，分析尽可能多的潜在设计

13、 方案并获得最优设计在复材设计与分析模型间的交互解决不可避免设计变更的设计方法挑战在复杂的结构中，通过分析定义的区域定义通常随着设计的发展而分解细化。设计师需要在不符合区域框架的层合板中添加层。解决方案多层设计方法创建重叠区域，作为新的基于区 域的定义的一部分收益分析软件直接读取，避免了基于区域的定义的 昂贵和耗时的重新设计对设计过程效率，带来一个数量级的提高违背区域框架，需要额外材料的区域在详细设计中创建新的区域和 铺层，直接融合至设计-分析 区域框架中成功案例：详细设计高级屈曲分析加筋板的预测性非线性分析挑战在设计过程中评估屈曲载荷探索结构后屈曲行为以扩展承载能力解决方案利用Siemens

14、线性求解器计算屈曲载荷因子（考虑或者不考 虑比例载荷）利用高效的非线性求解器精确计算后屈曲变形。软件提供几 种不同的数值方法，包括例如Riks等的连续性方法。收益预测机构的屈曲、后屈曲及最终破坏过程考虑缺陷: 边界条件,材料等 利用损伤容限方法进行最小重量设计通过鲁棒的设计方法扩展设计安全裕度挑战通过损伤容限的方法实现减重解决方案利用基于工业认证的并充分理解而总结出来的设计准则进行仿真西门子提供试样的测试方案来保证获取准确的损伤材料模型 参数收益充分的理解复合材料的损伤行为并跳出保守的失效准则利用虚拟原型样机进行更为安全和轻量化的设计制造工艺仿真: 热固性复合材料的固化避免昂贵的报废, 返工和

15、装配时候的填隙补偿挑战更大更复杂的设计面临更高的制造尺寸偏差风险在装配的时候复合材料结构的变形回弹可能会成为一个重要 的问题，增加额外的成本和时间解决方案链式热结构仿真描述材料固化行为考虑整个固化过程中的材料演化过程:确定工艺导致的结构变形评估残余应力水平收益避免昂贵的装配问题预测固化工艺过程导致的内应力、变形回弹验证不同的制造工艺参数：固化循环、铺层定义、过程控制等制造仿真: 针对先进纤维铺放技术的铺层设计挑战在铺层定义中考虑制造约束和机器限制与分析交换面向制造的定义解决方案使用西门子功能库，评估可生产性，以及评估机器约束、最小路径、横穿切角、最小切割宽度等。与仿真工具交换面向制造的零部件收

16、益使用正确的边界和铺层定义精确地预测设计的质量特性确保没有包含制造修磨的应力强度效应对数以千计的铺层边界快速更新Assessing Course Challenges ExampleMinimumMiWn.eCigohutr,sMeaLxeinmgutmh RateSolutions成功案例：制造规划挑战复合材料工艺规划较难创建在整个研制过程平均更改8次，而传统金属只需要1-2次工艺密集型制造活动生产中使用复杂的工装和夹具解决方案开发制造设施的数字化双胞胎使用复合材料数据驱动规划和制造决策收益简化生产计划以避免工艺瓶颈确保工厂和工艺的配置，使认证和控制更容易针对复材的制造规划What, How, Where/Which Resources?产品结