复合材料设计的优化流程—基于modeFRONTIER研究更复杂的材料并提高复合材料零件的性能
modeFRONTIER是意大利ESTECO公司开发的多学科多目标优化集成平台，已发布的最新版本是modeFRONTIER 2019。 modeFRONTIER 对于涉及材料各向异性、温度和应变率依赖性或蠕变的研究，耦合分析的设置可能会充满挑战。这些可以通过modeFRONTIER（用于多目标优化，多学科设计过程自动化和分析决策的集成平台）进行高效设计。通过modeFRONTIER与DIGIMAT（一种非线性的多尺度材料和结构建模平台）提供了一种针对不同级别IDAJ的参数优化的方法。通过该方法，1）可以驱动所需材料模型的调制朝着理想的宏观响应演化，如本文中针对多相聚合物复合材料的组成所示；2）可以使材料模型更适合实验数据。3）可以解决耦合分析（例如结构模型）的参数化问题。4）可以使处理步骤进入循环，从而使处理参数本身成为影响最终零件性能的设计变量。因此，该方法可以有效的使用DIGIMAT和modeFRONTIER来促进了计算材料工程与设计的集成。 介 绍 复合材料在当前的应用中正变得越来越重要。现阶段，增强塑料替代了金属设计，并被用于许多行业，包括汽车和航空航天，其目标是建造轻型结构，这是这些行业的共同推动力。但是，它们表现出非常复杂的材料性能，因此需要对复合设计的各种零件性能进行评估。覆盖性能用来描述复合材料在静态和动态载荷下的刚度和破坏。疲劳性能仿真也越来越引起研究人员的兴趣，以预测最终设计的寿命。复合材料零件性能评估的复杂性是由于复合材料底层微观结构的影响。微观结构导致各向异性和局部不同的材料行为。可以观察到对加工条件的强烈依赖性。通常，材料响应是非线性的，并且与温度和应变率有关。因此，对每种复合材料的研究都深具挑战，并且需要通过计算方法对其进行单独描述。 复合材料的计算建模 复合材料的数学和计算机仿真建模方法已经使用了很长一段时间，随着这种情况，发展出所谓的平均场均化方法[1]可以对这些材料进行有效的建模 [2]。但是，长期以来，由于缺乏一致的综合方法，对工业的影响仍然有限。复合材料的显式有限元模型在计算上非常昂贵，并且像上述均场方法那样的更有效的方法未集成到CAE工作流程中。同样，目前市面上主流的CAE软件包中提供的方法和功能也没有考虑到基于聚合物矩阵的材料的复杂响应行为。随着均场均质化的发展及其在聚合物复合材料中的应用在工业领域中的突破[3,4]，这些解决方案为多尺度材料建模提供了一种集成策略，包括基于显式有限元计算或均值场方法从微观水平预测宏观尺度复合材料性能，并通过连接到标准CAE工具来设计复合材料零件包，同时基于处理软件提供的结果来分析局部微观结构对复合材料性能的影响。本文着重于基于对基质和填料的每相单独的输入情况以及与材料微观结构（填料的形状，数量和取向）有关的信息对复合材料性能的预测，可能会关注的结果中包括基体和填料的每相微应力和应变，以及复合材料的宏观响应。如图1所示，基于modeFRONTIER及Digimat建立的均值场均化模型用于根据平均值计算多相复合材料的非线性响应。该技术的一大优势是计算速度极快，可将其直接用作材料模型以实时计算性能。所得的材料模型是完全各向异性的。图1：Digimat-MF模块中材料建模的基本方法。 复合材料和结构建模的多学科设计优化 在设计复杂且紧密集成的工程产品时，必须处理不同子系统之间的交叉耦合和协同作用，而又要忽略整个系统的综合方法。为了有效地开发此类产品，在整个开发过程中需要用于集成和自动化设计的有效工具和方法。多学科设计优化（MDO）是一种很有前途的技术，具有极大地改善此类并行设计的潜力。modeFRONTIER提供内置提供将工程设计导向基于MDO的方法。带有DIGIMAT的MDO技术可以与复合材料建模软件中可用的微观和宏观求解器耦合，从而有效地执行多组分复合材料的参数研究，材料模型的逆向工程（RE）以及材料特性的优化。 应用：多相聚合物复合材料的优化 以下案例展示了应用于材料工程的MDO示例。该案例涉及多相材料的参数化，多目标优化，以及e-Xstream和Sovitec公司发表的关于玻璃微珠和纤维填充尼龙的案例研究[5]。通过显微照片观察到的复合物中的玻璃珠和纤维，如图2所示。图2：玻璃珠和纤维复合材料的显微照片。Sovitec和e-Xstream工程的版权|版权所有。 本次研究的目的是评估具有至少两种填料的复合材料的性能，以查看给定的填料是否可以部分地被较便宜的选择所取代。此外，使用modeFRONTIER进一步探索了在原始研究中使用Digimat-MF和Digimat-FE替代玻璃纤维填料的研究。它的MDO方法与Digimat-MF集成在一起，可以实现折衷优化。目的是用玻璃珠代替聚合物复合物中的一部分玻璃纤维填料，关键变量是玻璃珠和玻璃纤维的质量分数。这样做不仅降低了成本，而且降低了热各向异性并改善了加工工具的循环时间和耐久性，同时保持了可接受的模量和强度。使用的组合设计空间是由modeFRONTIER通过实验设计方法（DOE）和遗传算法（NSGA-II）优化组合进行探索的。根据从DIGIMAT工程常数输出文件中读取的平均热各向异性（使用所谓的相对各向异性度量[6]）和刚度确定工作流程的目标函数。计算的结果发现，使用玻璃珠代替纤维不会导致刚性的显着降低。图3说明了非线性响应行为与填料组成的关系，该行为是由于在横向于纤维的方向上施加的应变而引起的。箭头指示的设计（其中50％的纤维已被小珠代替）表明，可承受的应力水平仅降低了3％。图3：横向应变分析显示强度的非线性行为此外，通过modeFRONTIER可以在不同属性之间进行权衡分析。例如，图4显示了热各向异性和刚度之间的关系，它是纤维和珠粒成分的函数。在这种情况下，Digimat-MF分析是在沿纤维方向施加应变的情况下进行的。图4中的红色箭头再次表示具有相等数量的珠子和纤维的设计，例如，表明热各向异性明显降低，但仅小于线性。因此，可以得出结论，通过用小珠代替50％的纤维，可以保持相当大的刚度，但是各向异性减小不到一半。图4：热各向异性与最大应力之间的关系作为破坏强度的指标。气泡大小表示玻璃珠的比例 结论与展望 DIGIMAT与modeFRONTIER的集成使多学科设计优化方法与复合材料的参数化建模相结合，为简化复合材料设计流程提供了很好的思路。案例研究确定了具有玻璃纤维和玻璃珠填料的聚合物的最佳组成，其中玻璃珠和玻璃珠填料最多可替代50％的纤维。因此保持了相当大的刚度，同时将各向异性降低了不到一半，并持续降低了复合材料的成本。modeFRONTIER集成Digimat的流程非常简单，该方法可以帮助用户在考虑不同目标属性时进行权衡。后期也可以通过该方法做材料模型参数的逆向研究，即通过modeFRONTIER中处理复杂优化的功能将DIGIMAT模型的响应曲线拟合到实验数据。来源：艾迪捷
