利用仿真技术突破复合材料设计挑战

由于轻量化和高性能特性的要求，复合材料已经在航空航天行业使用了很多年，但是关于产品重量的要求并不局限于飞机。越来越多的汽车制造商把材料看作是最小化质量和最大化燃油经济性的关键。

材料的设计是有挑战的。尤其在仿真碰撞这样的复杂工况时，需要考虑由复合材料的铺层顺序和纤维方向形成的大量的设计变量。而且，由此产生的材料的高费用，会导致高端运动型汽车的成本增加。

英国的汽车设计公司Gordon Murray Design (GMD)认为复合材料可以在汽车制造方面扮演一个相当重要的角色。为了证明这一点，这家公司为使用轻量化混合材料低制造和高容量汽车开发了一个叫“iStream”的高效流程。

这个iStream流程设法降低所有与汽车开发相关的费用，从工厂研发和组装到模具设计以及报废。传统制造汽车的方法是使用冲压的钢材来制造车身，GMD公司的革新iStream制造流程使用轻量化的复合板包围管式金属车架。

GMD公司将iStream作为智能产品加以开发，提供给想要在汽车市场多元化发展的公司。但是，为了使iStream取得成功，GMD公司必须证明使用复合板的汽车结构能够满足严格的性能目标。为了达到这个目的，GMD公司开发了一系列的演示车辆，包括T.25和使用iStream理念的T.27。

挑战

GMD公司是一个小型的、专业的、高智能的、拥有大量工程经验的公司。这个iStream项目需要对复合材料的性能以及精确建模予以证明其适合作为结构零件有深刻的理解。

GMD公司是Altair HyperWorks仿真技术的用户。当这个公司在寻找仿真专家作为外部合作伙伴时，Altair ProductDesign是成为最佳选择。Altair ProductDesign结合软件开发业务和工程咨询服务，能够把从项目中获得的经验直接应用到软件功能和精度上。这是GMD公司做出该决定的关键因素。因为GMD公司把这两个业务的相互合作看作是Altair公司区分于其它产品开发公司的关键因素。

解决方案

高效的建模

Altair ProductDesign将改进复合材料的虚拟建模以匹配物理测试的结果。

第一个任务就是为iStream建立精确的三合板材料模型。

这些复合板被认为是代替金属的较轻的方案，同时保证强度和刚度，并且维护成本低，而且避免了腐蚀问题。

虚拟碰撞模型和基于T.32鼻锥的iStream物理测试比较

高效建模需要详细的玻璃纤维薄片、软核以及结合复合板和框架的结构胶粘剂。为了评估前碰和侧碰时载荷的传递路径，GMD公司要求Altair ProductDesign建立一个精细调教的iStream底盘CAE模型。

Altair ProductDesign建议使用Altair HyperWorks对车辆结构不同零件建立由1D梁单元和壳单元组成的有限元模型，这样大部分的建模可以由Altair的离线技术能力完成，以加速这个耗时的阶段。

这种方法允许分析阶段通过建立复合材料的虚拟模型直接响应设计阶段，这比标准的开发流程更加简单。这样，不需要通过彻底的计算分析，设计方向就可以更快地被探索、控制以及评估。加速分析过程使得GMD公司可以快速研究更多不同的设计方案，并在较短时间内取得优化设计的配置。

定义材料性能

理解复合材料的性能是开发环节的一个关键步骤，因为在汽车行业对复合材料的掌握还没有金属材料那么成熟。

一旦对零部件的材料性能的理解取得一定信心， 对材料的仿真将会超越独立的零部件，达到整个系统特性的级别。这样，子系统和全局系统都被分析，工程师能够查看系统受载时各个零部件之间的相互作用。

Altair ProductDesign和GMD公司将会使用HyperWorks中RADIOSS求解器实施一系列的虚拟仿真测试，以定义在碰撞等多种载荷下的材料性能。

虚拟测试的实施基于对物理测试要求的理解，以确保结果可以有效地匹配，而不需要重复多次无谓的测试。

结论

随着分析与物理实验对标的完成，Altair ProductDesign将会继续与GMD公司合作开发iStream结构以改进碰撞性能。高级材料的使用需要革新的设计和验证方法，以保证高水准的安全性能。来自Altair ProductDesign和汽车开发部门的仿真专家与来自GMD公司的复合材料专家建立了高效的合作关系，这将有利于证明iStream革新流程的价值。