变厚度复杂铺层壁板如何建模、仿真 原创

关键词：复合材料，变厚度，铺层递减，铺层截断，自研有限元软件，建模

复合材料变厚度铺层带来的问题

很多情况下，实际使用的复合材料结构件都是变厚度的，尺寸越大的壁板越是如此。

厚度的变化会同时带来制造和仿真上的困难。

首先是制造困难。对于曲面件来说，非等厚意味着不同区域的铺层不同，而不同的区域几何大概率也是非规则的。如果是手工铺贴，如何定位不同的铺贴区域呢？

目前工业上一般采用激光投影定位的方式，精准的给每个区域进行光学标记。

图来源：3D激光投影定位_三维激光投影定位_复合材料铺层定位_光量信息科技

说起这，干土建的老哥会表示很熟，不就是激光打线嘛。道理确实这么个道理，但还是有区别的。

正儿八经的激光投影，内部有一套振动机构，当用户输入不同的几何外形，这个振动机构可以带动激光高频扫动，投射出几何外形。

另一方面，自动铺丝技术的引入，则是解决了大尺寸变厚度壁板的铺贴难题，层合板变得可以像3D打印那样，自动完成预制体的制造。

图来源：航空工业复材自动铺丝技术：技术 发展 创新 引领_中国聚合物网

然后是建模与仿真问题。如果采用实体单元逐层建模，变厚度、分布不均匀情况下，复杂壁板可能会有成百上千的不同厚度区，手动创建网格的工作量无法想象。如果是壳单元定义铺层，即便使用ABAQUS 复合材料模块Composite Layup，同样要面临先创建成百上千的不同厚度单元集，然后人工逐个定义铺层的难题。更不用说在Composite Layup模式下，无法同时使用UMAT/VUMA子程序的问题。

Fikry M J M, Iizuka K, Nakatani H, et al. Suppression of Delamination in CFRP Laminates with Ply Discontinuity Using Polyamide Mesh[J]. Journal of Composites Science, 2025, 9(8): 414.

我在研发SEM软件之初，这类问题就已经定位在SEM要解决的问题清单中。当1.0版本完成的时候，这个问题对于SEM来说已经不再是重大难题。难点在于，应设计什么样的交互逻辑，让用户快捷的完成变厚度与复杂铺层的准确定义，然后借助我们开发好的复合材料渐进失效（未来还有疲劳、蠕变）求解器完成仿真。

SEM软件的应对策略

特点1：复杂变厚度的处理

熟悉我们自研的SEM软件的读者知道，它本质上是复合材料壳单元，不同区域的不同厚度设置，归根结底是不同单元厚度的设置。而对于壁板来说，我们使用的壳只是它的一个表面或者是中面。

所以SEM软件对于厚度的识别策略是，在导入仿真壳面后，可以导入一个参考面，如果参考面和壳面是壁板的上下表面，那么厚度就是通过计算仿真面内每个单元到参考面的距离获取。如果仿真面是中面，那么只需要对所得的厚度值乘以2即可。

特点2：复杂铺层的实现

大部分情况下，设计人员在设计铺层的时候，会定义A、B、C、D等多种铺层。其中A铺层为所有面共有，然后依次根据厚度变化，在局部铺设B、C、D...等等，通过依次递减策略完成铺设。有点类似于汽车减震钢板这个意思：

针对这个情况，SEM可以导入一个依次包含A、B、C、D等全部铺层组数据的Eexcel文件。根据厚度，软件逐个添加铺层组，直到厚度达到前面获取的厚度值。即铺层截断的思路。

SEM软件的交互与仿真效果

有了上述思路，用户可以非常轻易的完成变厚度与铺层设置了。

1. 导入仿真壳面，完成网格离散。

2.导入参考面数模（stl格式）

3.导入全部铺层数据表格（对称铺层的一半）

4.设置厚度倍数（如果仿真面和参考面是原壁板上下表面，默认1。如果仿真面是中面，则输入2）

5.选择模板单元集（针对导入多个形面情况）

6. 确认后，软件自动完成变厚度与铺层设置。

7. 通过厚度效果显示按钮，查看变厚度后效果，不同厚度通过云图进行直观展示：

8. 通过铺层效果显示按钮，查看铺层效果，不同铺层角度用不同颜色渲染：

这个案例最厚的地方接近20mm，100多层的铺层。设置好材料参数和边界条件：两端固支，中间加载。

然后可以很快完成仿真，得到结构的变形、应力、失效分布。

位移

应力

失效分布

上述全部过程可以在数分钟内完成，让原本手工操作几乎不可能完成的工作，轻松搞定，且具有通用性。

有了自研的软件和算法，未来，SEM将会解决更多的实际问题。