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复合材料设计模拟与仿真系统 ——COMSOL Multiphysics ■ 复合材料设计模拟与仿真系统在航空复合材料领域的应用 复合材料，是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。目前，复合材料技术已成为影响飞机 行业发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机结构的主承力构件中，世界上的先进战斗机上复合材料使用量已达结构 总重量的25% 以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等。板壳结构如机翼蒙皮， 实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。 复合材料有多种加工方法，其中，复合材料液态模塑成型技术(LCM)是一种近年来出现的先进的制造技术，越 来越多的应用于飞机制造业。复合材料液态模塑成型工艺过程十分复杂，涉及到数学、力学、材料学和反应动力学 等多种学科交叉。通过复合材料构件的数字化和信息化生产，是提高产品质量、降低研发成本的有效途径。因此， 开展复合材料液态成型工艺过程的模拟、质量评估和参数优化，是目前国际国内复合材料研究领域的热点之一。 先进复合材料技术的发展趋势是利用虚拟的设计-制造-验证一体化环境，将真实的设计、制造、材料、验证、 应用乃至维修和全寿命管理等诸多环节统一起来，从而最大限度地缩短新品研制周期，降低研制成本，提高产品的 市场竞争力。在这个过程中，计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，简称 CAE ）技术成为创新设计以及 数字化设计、制造技术的核心之一。 COMSOL Multiphysics 作为一款大型的通用数值仿真平台，以同时模拟多种真实物理/化学现象为特色，广泛 应用于航空航天领域，为飞机制造业中的复合材料的开发和应用、制造和分析提供了完整可靠的解决方案。COMSOL Multiphysics 以其强大的耦合计算能力，不仅可以同时分析复合材料加工过程中的充填、浸渗、固化等，也可以分 析材料成型后的机械性能、电性能、热性能等各种性能，还可以用来分析最终飞机上的各种效应（声、电磁、机械、 热等）及性能等。 飞机机翼通常由轻质且坚固的复合材料制造。复合材料层往往对受力显示出各向异性。但因为这些现代合成材 料的导热性和导电性都显示出很强非线性，并且相对于金属而言其导热性和导电性又较低，所以当诸如闪电之类的 高电流流过这类材料时，由这些材料构成的部件的温度会显著升高从而容易导致飞机受损。所以，当飞机某些部件 被闪电击中时，产生的热流会使得该部件受到很大的影响。 图 2 显示了此类模拟的结果。加热是因为闪电的电流脉冲加载到机翼的前缘。机翼由两层取向不同的各向异性 和各向同性复合物组成，电流通过前面一个小圆形区域载入。 图 2：闪电击中机翼的模型。左图：切面是电流密度，流线是电流路径。 右图：切面是温度，边界是闪电击中所产生的电势。 图像显示了闪电刚击中机翼时，电流密度在许多贯通结构的垂直和水平切面上的分布。左图中的切面是电流密 度，流线是电流路径。右图中的切面是温度，几何结构中间的边界是电势。 右图显示了机翼的温度达到材料的熔点（300 度）的几何位置。很明显外层的低电导率材料由于升温被严重破 坏，而内层材料并非如此。此外，研究材料的各向异性程度对破坏范围的影响也变得轻而易举。 ■ 复合材料设计模拟与仿真系统-COMSOL Multiphysics 系统组成内容 软件平台： AC/DC 模块( AC/DC Module) 声学模块 (Acoustics Module) CAD 导入模块( CAD Import Module) 化学工程 模块 ( Chemical Engineering Module) 地球科学模块（Earth Science Module） 热传导模块 ( Heat Transfer Module) 材料库（Material Library） 微机电系统模块 ( MEMS Module) 射频模块（RF Module） 结构力学模块 (Structural Mechanics Module) 反应工程实验室(Reaction Engineering LAB) 外部整合接口: