先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件研發綜述

趙 亮，肖納敏

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

近幾十年來，隨著樹脂基復合材料制備技術的不斷發展，以碳纖維樹脂基復合材料為代表的新型復合材料在飛機、發動機、兵器等裝備上得到了廣泛應用，復合材料技術已經成為具有戰略意義的關鍵技術。先進復合材料的制備與應用水平在某種程度上已經成為一個國家材料與制造水平的代表，特別是在航空航天等領域，一代裝備，一代材料，裝備水平與材料技術緊密聯系在一起［1］。先進樹脂復合材料與傳統的金屬材料相比，具有比模量大、比強度高、可設計性強等系列優點，自20 世紀70 年代以來，樹脂基復合材料在軍用和民用飛機上的用量顯著增加，如F-22和F-35 的復合材料用量分別達到24%和35%，波音的新一代夢想飛機B787 用量更是高達50%。

復合材料零部件研制具有工藝復雜、技術難度大、研制周期長、制造成本高的特點，數值模擬仿真技術是解決這些問題的有效手段之一。與金屬材料相比，復合材料具有設計制造一體化的特點，更加注重制造對于設計的影響，因此樹脂基復合材料構件的成型過程顯得格外重要。當前，隨著數字化技術、虛擬仿真技術的進一步發展，國內眾多構建設計制造一體化的數字化復合材料設計制造體系顯得尤為關鍵。當前，先進樹脂基復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將有效促進數字化復合材料設計制造體系的不斷完善。

1 軟件概述

先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件主要指圍繞如何提高先進樹脂基復合材料制件質量和優化成型工藝而研發的成型工藝仿真軟件，該系列軟件隨著先進樹脂基復合材料成型工藝及模擬仿真技術的發展而不斷進步。全球市場上主流的樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件通常按照工藝類型劃分，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看，軟件主要功能可分為流場溫度場及固化變形兩大部分。其中在流場計算方面，RTM 成型工藝仿真軟件的流場計算主要涉及液態和半固態，以有限體積和有限元方法為主，而熱壓罐成型工藝的流場及溫度場計算主要以氣態為主，因此有限體積方法在這一工藝中更為主流。固態應力及應變計算的求解器目前均是基于有限元方法。

先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件研發前期大多以高校為主，主要進行基礎理論及算法研究，后續實現商業化，以軟件公司的形式進行，并最終被更大的公司收購以便維護和推廣應用。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 等開發；進入21 世紀后，RTM-FLOT 被法國ESI 集團收購，并更名為PAM-RTM，2015 年PAM-RTM集成于法國ESI 集團VE 平臺，并更名為Visual-RTM，成為ESI Composite 的一部分。

就商業軟件而言，先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件歸屬于復合材料仿真分析軟件，目前主流的均為少數發達國家的產品，主要集中在少數幾家軟件巨頭，正朝材料計算—設計—制造的復合材料設計制造一體化仿真方向發展。法國ESI 集團最先推出復合材料設計制造一體化解決方案，從鋪層設計及力學性能預測SYSPLY、設計優化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MSC 也推出了復合材料解決方案，包括多尺度分析DIGIMAT、結構應力分析、失效、優化及制造分析的MSC Composite，基本涵蓋了復合材料工業技術相關的設計、材料、制造等領域，各軟件功能相對獨立又相互關聯，形成一整套相對完整的復合材料仿真體系。法國達索提供了復材PLM 平臺，包含材料計算Materials Studio、設計CATIA、驗證Simulia、虛擬制造DELMIA、數據管理ENOVIA。德國西門子推出了STS 復合材料整體解決方案，包括鋪層設計Fibersim、熱壓罐成型工藝仿真軟件Samcef、模面補償設計NX Morphing。

Fig.1 Design and manufacturing integrated simulation analysis process of ESI group composite materials圖1 ESI 集團復合材料設計制造一體化仿真分析流程

2 算法與技術研發現狀

樹脂基復合材料成型工藝的基礎理論、模型與算法是開發仿真軟件的核心。隨著計算機硬件性能的不斷提升與算法研究的逐漸深入，眾多科研機構逐漸將計算機模擬仿真技術應用于先進樹脂基復合材料成型工藝仿真。RTM 工藝和熱壓罐工藝是國內航空航天等行業先進樹脂基復合材料成型的主流工藝，因此重點對這兩種工藝的仿真技術研發現狀進行闡述。從基礎模型看，這兩種工藝的仿真技術均可分為溫度場流場計算和固化變形計算兩個部分，由于固化變形仿真這兩種工藝的原理差異不大，因此先對差異較大的溫度場流場計算部分進行論述，再對固化變形仿真進行論述。

2.1 RTM 成型工藝

RTM 成型工藝是目前備受關注的復合材料制造技術之一，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，利用注射設備將符合特定要求的專用低粘度樹脂注入預先鋪放好纖維增強材料的閉模型腔中，樹脂體系在模具中流動并且逐漸浸潤纖維增強材料，然后在一定時間內固化成型，制成具有一定性能和結構要求的復合材料。RTM 工藝主要包括以下幾個階段：纖維增強材料（纖維預制體）設計和制備、纖維預制體鋪放、合模、樹脂注入和固化、脫模以及后處理等。RTM 成型具體工藝過程如圖2 所示。其中，樹脂的注入（充填）和固化是最重要的兩個環節，RTM 整個工藝過程中的主要物理和化學過程基本都發生在這兩個階段。充填和固化不僅對復合材料制品的質量和性能產生重要影響，還很大程度地決定了復合材料制品的成型周期和生產成本。

就仿真而言，以上過程可分為以流場和溫度場為主的充填過程和以固化變形為主的固化脫模過程。其中，充填過程由于樹脂到模具型壁的熱傳遞速度遠遠小于樹脂的充填速度，因而可以近似認為樹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始，再開發非等溫充填。在等溫充填過程中，將樹脂的流動視為不可壓牛頓流體在多孔介質中的流動，宏觀上遵循Darcy 方程和連續性方程。

Fig.2 Specific process of RTM圖2 RTM 工藝具體過程

20 世紀80 年代，國際眾多RTM 工藝研究機構利用仿真技術對上述問題進行了深入研究。到20 世紀90 年代初期，一些代表性RTM 工藝仿真軟件不斷被開發完善，并逐步進入應用環節。其中，美國密西根州立大學的LMPC、美國Delaware 公司的LIMS、Ford 公司的CFILL 及Gauvin 等開發的RTM-FLOT 是其中開發較為完善的軟件［2］。Lin 等［3］、Lim 等［4］、Shojaei［5］運用有限元方法對RTM 樹脂流動進行了三維等溫模擬，并基于相關實驗進行了驗證；Shojaei 等［6］基于結構化網格運用控制體/有限元（CV/FEM）對樹脂流動過程進行了三維非等溫模擬。

國內學者緊隨國外的研究腳步，開展了大量研究工作。在此基礎上，梁志勇等［7］開發了具備自主知識產權的RTM 工藝仿真軟件BHRTM，該軟件具有較好的適應性，可在二維空間尺度實現復雜型面造型與自動網格劃分，支持具有復雜幾何結構的模擬計算，后處理方面也具有較好的易用性，可以對樹脂流動和壓力場演化過程進行偽三維顯示；李海晨等［8］結合貼體坐標法和經典的有限差分算法模擬了RTM 工藝的樹脂流動過程，得到了樹脂流動前沿的演化曲線及壓力場分布，計算結果精度與傳統模型相比吻合良好；Tan 等［9］進一步發展了RTM 工藝仿真模型，在等溫充模的基礎上，實現了LCM 非等溫充模和考慮液固相變過程的固化三維模擬，并編制了工藝仿真程序LCMSIM。此外，Tan 等［9］還開發了仿真程序PORE-FLOW，可用于預測樹脂在纖維預成型體中的毛細作用、滲透率等，仿真結果具有較高的準確度。

2.2 熱壓罐成型工藝

熱壓罐成型工藝是指將單層預浸料按預定方向鋪疊成復合材料坯料，放在熱壓罐內，在給定溫度和壓力下完成固化過程的工藝方法。熱壓罐工藝是另外一種被廣泛使用的復合材料制備工藝，特別是生產蒙皮類零件這類薄壁件時具有獨特優勢。到目前為止，由熱壓罐生產的復合材料占整個復合材料產量的50%以上，在航空航天領域，更是高達80%以上［10］。就仿真而言，熱壓罐工藝仿真主要包含罐內的流場和溫度場仿真、復合材料制件的固化變形仿真兩個部分。

針對熱壓罐溫度場及流場計算，國內外學者進行了深入研究，從一維到三維，尤其是隨著商業CFD 軟件的發展，極大推進了熱壓罐復合材料制件溫度場的計算。Oh 等［11］模擬了樹脂基復合材料制件熱壓罐成型工藝過程，并以樹脂為內熱源，考慮了樹脂的化學反應放熱，推出熱傳導方程，并得出復合材料制件的溫度分布。Shokrieh 等［12］研究了一種動態瞬態模型以模擬玻璃纖維聚酯復合材料的成型過程，考慮了比熱容、密度和熱傳導系數性質隨溫度和固化度變化的影響，結果表明樹脂的熱力學性能對熱傳導過程影響很大。分析相關文獻發現，國內外對熱壓罐空載溫度場的研究已相對成熟，但在實際生產中熱壓罐的溫度場還受到復合材料構件、成型工裝等因素的影響，因此復合材料熱壓罐成型工藝溫度場及流場的模擬必須綜合考慮熱壓罐本身的進風、出風、加熱系統、壓力變化、風扇等，加上構件及工裝幾何、材料、擺放位置等，才能給出比較合理的模擬結果。國內學者針對熱壓罐工藝研究商用CFD軟件，在熱壓罐溫度場仿真方面做了大量工作。比如：北京航空航天大學賈云超等［13］利用CATIA 進行熱壓罐幾何建模，利用FLUENT 進行熱壓罐溫度場模擬，計算值與試驗值誤差在10%以內。研究結果表明，提高罐內氣流流速、增大升溫速率、選用低比熱容與高熱導率的工裝材料能夠減小工裝表面的溫差，提高成型質量；南京航空航天大學張晨群等［14］使用XFlow 商業化軟件熱壓罐強制對流換熱的有限元模型，計算結果與試驗結果吻合非常好，平均誤差為1.83%，并進一步研究了風速、升降溫速率對框架式模具表面溫差的影響。

2.3 樹脂升溫固化

無論RTM 成型工藝還是熱壓罐成型工藝，復合材料工藝都離不開樹脂升溫固化這一歷程。固化工藝過程中復合材料一般會經歷5 個階段：流動階段、凝膠—玻璃化階段、玻璃化后保溫階段、降溫階段和脫模回彈階段。流動階段會發生固化收縮和熱膨脹，但由于樹脂為液體，樹脂的固化收縮和熱膨脹對復合材料的固化變形和殘余應力的作用可以忽略。但是有研究表明，模具和纖維床之間存在相互作用力；凝膠—玻璃化階段主要發生固化收縮，盡管該階段發生的固化收縮應變和熱膨脹不會產生大的殘余應力，但對固化變形會有較大影響；玻璃化后保溫階段由于發生的固化收縮應變很小，因而對固化變形和殘余應力的影響很小；降溫階段的殘余應力主要來源于模具與構件、單層與單層之間的熱膨脹系數不匹配；脫模回彈階段過高的殘余應力可能會引起復合材料構件較大的變形，甚至發生分層、斷裂等缺陷。因此，固化變形是影響復合材料構件質量的重要因素，是先進樹脂基復合材料成型工藝仿真技術的關鍵問題之一。

圍繞固化變形問題，國內外學者進行了大量研究工作。在固化變形及殘余應力解析解方面，Nelson 等［15］最先提出復合材料構件固化變形解析解，構建了預測復合材料L-型或U 型構件的熱固化變形解析解；Arafath 等［16-17］推導了復合材料平板和C-型構件的固化變形解析解。在模具對構件固化變形和殘余應力影響方面，Fernlund 等［18］就模具對復合材料L 型、U 型構件固化變形的影響進行研究，表明模具—構件不同界面條件對固化變形有較大影響。固化過程中，在復合材料力學本構模型方面，眾多學者對線彈性本構和粘彈性本構進行了大量研究。其中，Fernlund等［19］提出的Path-dependent 本構模型應用較廣，該模型也被稱為簡化的粘彈性模型。

2.4 模壓成型工藝和纏繞成型工藝

國內對于復合材料模壓成型工藝和纏繞成型工藝也展開了相關研究。王貴彬等［20］針對碳纖維復合材料加固件，在商業化軟件ANSYS 的基礎上，進行了模壓成型有限元分析；楊金利等［21］開發了基于OpenGL 的纏繞成型仿真系統，實現了三維動態加工的模擬仿真。

3 軟件發展現狀

樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件發展歷史較長，從20 世紀80 年代開始，ES 法國ESI 公司就開始吸收高校和研究機構在基礎理論研究方面的先進成果，以RTM 工藝為目標，開始進行商業化開發。隨著算法和計算能力的不斷提升，同時也隨著制造工藝的不斷發展，許多新的工藝類型軟件都得到了快速發展。針對先進樹脂基復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ESI 集團開發的PAM-RTM、荷蘭Polyworx 公司開發的RTM-Worx 等；針對熱壓罐溫度場及流場，國內外主要采用商業CFD 軟件進行模擬，例如FLUENT、CFX、STARCD 等。法國ESI 集團耦合FEM 和CFD 技術，開發了專門的熱壓罐工藝仿真軟件PAM-AUTOCLAVE，西門子基于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ESI 集團的PAM-FORM 等、纏繞成型工藝商用軟件有比利時材料工程有限公司（MATERIAL）的CADWIND 等。對上述軟件進行詳細描述如表1 所示。

Table 1 International advanced resin matrix composites molding process simulation software表1 國際先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件

國內先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件研發是隨著復合材料成型工藝研究的不斷深入而逐步開展的。中國航發北京航空材料研究院從2000 年開始，依托國防復合材料重點實驗室及重點項目，開展了先進樹脂基復合材料制造模擬與優化技術研究工作，并開發了固化模擬、熱壓工藝模擬、RTM 工藝模擬等相關軟件。最近幾年，其又開發了熱壓罐模擬仿真軟件，具備熱壓罐罐內流場及溫度場分析、工裝模具的溫度分布計算功能，如圖3 所示。

4 國內外研發差距

我國先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件研發前期有專項經費支持，由高校牽頭進行算法及模型研究并通過工業項目進行應用驗證，尚未由商業公司跟進開展市場化運作。以北京航空航天大學共同開發的BHRTM 軟件為例，其在2001-2005 年獲得國家項目資助并完成研發，后續沒有開展結合實際應用的進一步迭代完善。國外成熟商業軟件，大多以實際工業需求為牽引，產學研用結合，由專業商業公司運營，從初創到成熟經歷了二、三十年發展歷程。以ESI 集團著名的PAM-RTM 為例，該軟件1990 年由Ecole Polytechnique de Montreal 牽頭，EADS/Paris、Ford Research 等聯合攻關開發，當時命名為RTM-FLOT；1998 年由L3P 繼續開發并負責運營；2001 年被法國ESI 集團收購并繼續開發，2015 年融入ESI Composite 并持續開發到現在，總共經歷了30 年的開發歷程。

由于國內樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件少有經過10～20 年的工業應用錘煉，并且開發初期很少按照軟件工程思路進行客戶需求的詳細搜集及梳理，因此在功能上表現出軟件架構簡單、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、可維護性和可擴展性差等不足。

Fig.3 Domestic advanced resin matrix composites molding process simulation software圖3 國內先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件

目前，復合材料設計類軟件已經進入復合材料結構設計流程，在裝備研制生產中占有重要位置。復合材料工藝仿真類軟件雖未進入工藝設計流程，但是在產品研制過程中也肩負著縮短研制流程、節約成本的重要角色，國內復合材料設計制造仿真相關軟件在前后處理器及軟件的易用性等方面與應用單位的需求有較大差距。

國內高校、研究所在復合材料成型工藝仿真算法及理論研究上已進行多年，并建立了相關物理模型和軟件原型。但是，國內缺乏軟件應用環境及商業化公司介入，致使我國至今尚無成熟樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件。

5 展望與建議

當前，隨著信息化技術在工業領域的深度融合和數字化技術在制造領域的深入推進，樹脂基復合材料成型工藝仿真技術將成為復合材料制件研發的關鍵技術。隨著工業軟件國產化需求越來越迫切，研發先進樹脂基復合材料成型工藝仿真軟件尤為必要。結合上述綜述及調研情況，給出如下建議：

（1）優先開發基礎儲備較好的RTM 工藝和熱壓罐工藝。查閱文獻發現，針對RTM，高校已經開發出了較好的原型程序，例如北京航空航天大學的BHRTM。可以此為基礎，進行代碼重構和擴展，開發出專業的商用RTM 軟件。針對熱壓罐工藝，目前雖然大多基于商業CFD 軟件進行開發，沒有開發出原型程序，但隨著國內CFD 軟件的日趨成熟及國產開源CFD 軟件的發布，可以基于這些軟件進行熱壓罐仿真軟件開發，例如最新發布的風雷。

（2）工藝仿真軟件開發應基于應用需求，做好需求調研。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）和真空輔助樹脂注入（VARI）、壓 縮RTM（CRTM）、樹脂固化分析（Curing）、纖維預熱分析（Pre-heating）等。就熱壓罐分析而言，雖然基于商業CFD 軟件的熱壓罐溫度場、流場分析已經得到應用，但是距離工業需要還有一定差距。究其原因，主要是計算效率的問題。由于熱壓罐尺寸大，而復合材料制件大多比較薄，導致網格量較大，同時整個工藝周期（升溫—保溫—降溫）較長，導致整體計算時間也較長，難以滿足工程上對仿真結果的時效需求，更難以進行工藝優化計算。可將仿真技術與AI 技術或者數據分析技術相結合，探尋可能的算法或者模型，從而找到解決該問題的途徑。

（3）注重復合材料特有的多尺度問題。先進樹脂基復合材料具有特有的多尺度問題，例如在制造過程中，纖維剪切角的變化會直接影響后續制件的力學性能和質量。

（4）注重固化過程仿真。在RTM 或者熱壓罐工藝成型過程中，先進樹脂基復合材料的樹脂都會經歷液態—橡膠態—玻璃態的轉變，尤其是橡膠態轉變為玻璃態的過程具有一定特殊性。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，在計算算法和模型上需作特殊處理。由于不同行業所用樹脂基復合材料的樹脂差異較大，因此需要針對各行業常用樹脂，建立并驗證其固化反應動力學模型，才能應用于工程實際。

（5）針對應用需求開發復合材料特有的本構模型。先進樹脂基復合材料區別于金屬材料的最大特點是它的各向異性，再加上樹脂的固化方向過程，樹脂的力學特性從最初純粘性到粘彈性再到彈性，如何開發出適合于RTM 或者熱壓罐工藝成型過程中變形分析的本構模型，將是復合材料成型工藝仿真軟件能否應用于工程實際的必要條件之一。