航空先进复合材料的应用技术及其数字化与CAE
By www.cfrp.com.cn
以碳纤维增强复合材料为代表的先进复合材料技术发祥于航空航天领域，同样，CAE技术也发祥于航空航天领域。在我国，航空先进复合材料约有近30年的历史，这也恰是CAE技术在我国航空工业的应用历史，因此，先进复合材料技术与CAE技术有着天然的内在联系。
1、航空先进复合材料技术的国内外现状
复合材料技术是一项具有战略意义的国防关键技术。在一定程度上，先进复合材料的研究水平和应用程度是一个国家科技发展水平的代表，特别是在飞机制造业，各种先进的飞机无不与先进的复合材料技术紧密联系在一起。举直升机为例，复合材料在先进直升机上的用量已高达50%（重量比）左右，复合材料应用的部位已从整流罩、地板、整体壁板等次承力结构向旋翼、框、梁等主承力结构方向发展，具有典型代表的是NH-90、波音-360、V-22、RAH-66等现代直升机。复合材料在固定翼民机上的发展情况见图1。波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%。波音B 787使用复合材料的部位如图2所示。先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右，图3为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。
图1 复合材料在民机上的发展情况
随着复合材料在飞机上应用比例的不断加大，先进的数字化设计制造技术和计算机辅助分析技术等在复合材料的制造领域得到了广泛应用。铺层、下料、浸渍、成型、固化等工序的模型化模拟技术和CAD/CAM/CAE技术的运用，大大降低了开发制造成本，提高了开发和制造效率。如今复合材料的制造技术向着自动化、低成本、整体化、数字化的方向发展。
我国复合材料技术虽然已有很大的发展，但目前还远远没有达到数字化设计和制造的程度。目前，国内航空工业进行复合材料产品的生产还停留在传统的手工设计和手工制造技术上，与国外先进水平有很大的差距，而其中一个很重要的原因是缺乏成熟的数字化的设计工具，也没有先进的设计工具和数据支撑。事实上，国外的研究和应用成果已经表明，在复合材料构件的设计制造过程中，不仅要采用单项的数字化设计制造技术，而且要建立集成的数字化设计制造环境，分别从计算机软、硬件和先进的复合材料设计、制造技术角度出发，融合所有设计和制造的数字化过程，打通复合材料构件数字化生产线，实现产品数据从复合材料构件设计到最终交付的顺畅传递。更进一步地，国际先进复合材料技术目前的发展更偏向于利用虚拟的设计-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，从而最大限度的压缩新品研制周期，降低研制成本，提高产品的市场竞争力，在这个过程中，CAE技术是航空工业创新设计和数字化设计制造的核心之一。
2、先进复合材料数据技术与体系是发展的基础和瓶颈
应用CAE技术提升我国航空先进复合材料技术的发展，其基础条件和重要前提是研究、发展和建立与此相适应的复合材料数据技术和数据体系，理由如次。
2．1、 复合材料数据体系建设是实现数字化技术的基础
科学数据是科技创新的重要源泉。基础性科学数据作为科技活动发展的基础和成果，是科学技术滚动发展的平台。一个好的科学思想、理论假说和应用技术，必须在掌握大量前人资料和科学数据的基础上才能形成，同时也必须在大量相关数据的支撑下才能被证实。而对科学数据进行系统化的综合分析，进而促进新的科学思维的产生，是实现科技创新的重要方式，并推动交叉学科的发展。特别是当代科学技术的发展趋势明显呈现出大科学、定量化和注重过程研究等特点，越来越依赖于系统的、高可信度的基本科学数据及其衍生的数据产品。而科学研究工作本身也就是科学数据的生产过程。在材料应用研究工作中，材料数据作为研究成果的体现和研究工作的依据，在整个科研工作中都起着非常重要的作用。但是，材料数据本身是一种资源，这一点在我国并未得到应有重视。
2．2、 先进国家的国家级材料数据管理体系和运行模式
先进国家非常重视材料数据管理和应用系统的建设和维护。到目前为止，在美国国防部国防技术信息中心（DTIC）的领导下，美国已建设了13个国家级的数据系统，形成了庞大的国防工业数据管理和应用体系，为美国国防工业保持其世界领先的竞争力和可持续发展立下汗马功劳。
分析美国在材料数据管理和应用技术方面的先进经验，可以总结出3个重要启示：（1）由政府及国防部积极推动和资助，由AMPTIAC这样的专业机构进行商业化运作和管理，具有完善的组织体系。体系的发展伴随着新材料的出现不断扩充、兼并、组合和完善；网络化数据管理已成为主要手段，实现了跨时间、跨地域的数据共享；（2）材料数据管理范围含盖金属及金属基复合材料，陶瓷及陶瓷基复合材料，高分子结构及高分子基复合材料，电子、光学及光电子材料，环境保护及特殊功能材料等五大类；既有处于实验和开发阶段的材料数据，也含有许多已知、成熟、有价值的材料信息。（3）由材料和信息技术两方面专家合作从事数据收集、评估、包装、标准实施、数据库开发等。注重服务，服务范围包括技术咨询、调查、培训，相关材料技术报告的汇编、出版和发行等。
2．3、 我国航空材料数据库的历史经验
自80年代以来，我国航空工业也着手建立各种材料数据库，例如国防示范库，腐蚀数据库，航空材料手册库，机载材料数据库，引进材料数据库，XX工程材料数据库，复合材料库等。总结起来，（1）把建设数据库作为一个内向的科研项目，没有深入了解用户的需求和工作方式，也没有与用户进行有效的沟通，用户认知度低。（2）没有真正认识到数据的质量是数据库有用的基础，数据库的作用是有效地管理和使用数据，结果是无用数据长期压库。（3）数据系统设计没有利用信息技术的发展和及时更新，往往是数据库建成后很快老化、报废。（4）缺乏有效的长期运行机制，数据库课题结束，数据库的使命也随之结束。（5）不具备计算机网络硬件设施和方便互通的网络使用环境。（6）服务意识模糊，开放意识淡薄。（7）数据管理的诸多方面，如系统性、准确性、可靠性、可追溯性、安全性、知识产权保护、授权访问应用等未予以充分考虑，数据来源和应用范围受到了制约。
2．4、 复合材料数据的特殊性
根据美国军用复合材料手册（MIL-HDBK-17F），先进复合材料技术和复合材料数据的特点包括（1）复合材料包括基体和增强材料，性能表征必须从组分开始。（2）由于复合材料的失效机理与金属材料完全不同，金属的性能测试方法基本上都不适用于复合材料；同时复合材料还有很多特殊的性能表征要求，特别是湿热和抗冲击性能。（3）复合材料是可设计材料（不同比例、不同纤维方向的铺层），其基本结构元素¾层压板的性能表征非常复杂。（4）复合材料的结构与材料同步形成，材料和工艺的变异性对材料（同时也是结构）性能具有重要影响。（5）国际范围仍缺乏复合材料及其结构的设计和使用经验，必须采用积木式的试验验证（性能表征包括组分、单层、层压板、结构元件和组合件等），因此试验种类和数量远超过金属。（6）复合材料性能数据必须包括：材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实。此外，MIL-HDBK-17F还要求（7）对不同批次、不同时间、不同实验室的同一复合材料体系的试验结果的数据可追踪性，不同厚度数据的归一化处理，异常数据的剔除原则，数据统计处理的方法等原则和操作步骤；（8）除单独性能表征的标准化外，针对材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实等，分别给出试验矩阵。
2．5、 复合材料的测试技术与测试标准技术体系
建立复合材料数据库，复合材料测试技术标准必须先行。由于复合材料性能表征是复合材料及其结构研制与生产的重要组成部分，如此复杂多变的内容对其质量保证和结构验证有着极其重要的影响，同时也占了其研制和生产成本和时间的很大比重，因此复合材料性能表征及其标准化一直是复合材料界的主要研究领域之一。标准化包含两方面内容，即性能表征的范围和方法（包括试验标准、数量及数据处理方法等）及针对不同应用情况建议的试验矩阵。随着复合材料及其结构研究的深入与应用的不断扩大，标准化的研究也在不断深入和发展。MIL-HDBK-17及ASTM D30下属复合材料标准陆续不断地更新和内容不断地增添，就反映了美国复合材料界在这方面的研究进展。
2．6、 数据库建设与知识管理系统
数据库的核心是优质的数据和高效的数据管理和应用，而优质的数据来源于对材料的测试、分析和模型化工作，涉及大量的经验和知识，即便是照搬Mil-HDBK17，要从上千页的手册里找到合适的方法和技术也不是一件简单的事，同时还需要进行大量的“What-If”分析和多方法或技术的平衡和优化，因此，就产生了对经验和知识进行管理和开发利用的问题。这个技术在国际上亦具有前瞻性。
现阶段的可行方案之一是依托虚拟开发环境，将数据获得、产生、分析、应用等不同阶段的测试条件、测试参数变化、材料状态变化、材料参数变化、载荷边界条件变化等与流程相关的所有数据保留在关系型数据库中，经数据挖掘、总结、抽取和PLM下的知识定义技术、管理技术，形成一个数字化、基于数据库的知识库。
2．7、复合材料制件设计制造具有独特性
（1）复合材料是各向异性材料，具有可设计性，也就是说可以按需要进行设计，树脂含量、铺层厚度、铺设方向以及各个方向的铺层所占的比例等均作为设计参数，所设计的复合材料制件具有金属结构所不具有的特性。（2）复合材料制件的设计、制造与金属结构相比要复杂得多，需要投入更多的精力对结构每一部分进行细致入微的定义。（3）复合材料制件在成形零件的同时也完成材料的制造的工艺特点，决定了复合材料制件制造时必须同时考虑设计、材料、工艺、制造、检测/无损检测、实验验证等综合因素，这些因素密不可分，在复合材料制件制造过程中必须统筹考虑。
2．8、复合材料制件设计需要借助数字化平台进行管理
复合材料制件设计工作体现在材料层次、制件层次和工程层次3个不同的层次。复合材料性能的设计包括选材、层合板强度和刚度的铺层剪裁优化设计等，复合材料制件的设计包括损伤容限设计、连接设计等，这些设计建筑在细观力学、弹性力学等的基础上，并考虑特殊服役条件（如温度、湿度和高周疲劳影响等）对性能、结构完整性及其稳定性的影响。在工程层次上，复合材料特殊的制备过程和生产过程将显著影响复合材料制件的结构与性能，譬如制造缺陷、工艺宽容度等。因此，复合材料制件的设计与金属制件的设计相比，涉及到更多的数据、规律、经验和知识，其性能更依赖于试样、元件、结制件和全尺寸部件等多层次的积木式的验证试验，更需要数字化、信息化工具的支撑，更需要借助数字化平台进行管理。
2．9. 复合材料制件制造需要进行综合工艺验证
复合材料制件制造工艺方法多种多样，为保证产品质量，每种制造工艺方法都应该进行工艺设计、计算机数值模拟仿真和工艺过程优化等。在复合材料制件的研制或生产过程中，质量监控和无损检测占有重要地位，复合材料和制件的质量与人员、设备、方法、环境等因素密切相关，受控环节和数据非常多。在完成样件制造后，还必须进行综合实验验证，将综合验证的结果反馈给设计、材料、工艺制造和检测等主要环节，形成闭环控制。因此，复合材料制件的工程化应用是一个庞大而复杂的系统工程，迫切需要综合应用现代的计算机技术的CAD、CAE、CAM、CAPP和数字化的数据库技术等进行统筹管理。
2．10、小结
综上所述，先进复合材料的数据技术和数据体系建设是航空复合材料技术发展的基础，但也是我国目前存在的技术瓶颈。就航空复合材料的数字化和CAE应用技术而言，研究建立我国先进的复合材料数据体系和数据库已成为当务之急，其中也蕴藏着技术创新和体制创新的大好机遇。
根据国防科工委“强化基础、提高能力”的发展战略，有关先进复合材料数据技术和数据体系建设的研究工作已经进入国家“十一五”计划的实施阶段，由北京航空材料研究院主承担。为此，北京航空材料研究院正在组建包括有关厂所的联合团队，其目标是建立符合国际通用标准，技术先进和管理先进，面向用户的航空先进复合材料数据体系及数据库（图4），为航空复合材料科技工业的跨越式发展奠定扎实的技术基础和支撑平台。
3、先进复合材料的CAE虚拟“材料-设计-制造-验证”一体化
先进复合材料数据技术和数据体系建设与CAE技术系统具有辨证统一的内在联系。在复合材料数据技术和数据体系的支撑下，我国航空先进复合材料CAE技术的目标将是实现由模拟量设计制造向数字化设计制造的转变，同时推进实现虚拟设计制造先于真实设计制造、虚拟设计制造与真实设计制造同步发展的创新模式，带动我国航空复合材料和国防复合材料技术的科技进步与跨越式发展。
近些年来，通过系统研究和分析用户在企业内实现虚拟工程的方法，ESI公司确定了以下三个发展步骤：步骤1：单独的虚拟测试，以帮助减少物理样机的数量，例如碰撞试验，材料成形试验和装配试验等。步骤2：根据特定设计规范（例如防撞性、复合材料、振动噪声、舒适度、框架装配等），将一系列虚拟测试链接起来，进一步减少试验样机数量。步骤3：动态连接企业资源管理系统（ERP）和多个数字试验模型（DMU），在产品开发中逐渐减少完整产品的物理原型，而不仅仅是各个局部的物理原型。为此，ESI推出虚拟工程一体化的解决方案（图4），包括“1G”：通过本质上在数字试验模型中考虑材料物理，以更好地理解、改进或取代特定的试验环节，达到更好地试验的目的。“2G”：针对一个工程问题而集成所有相关的1G应用，由此减少产品设计和开发阶段的物理样机，使设计人员在产品设计的早期阶段就能作出评估和决策。“3G” PLM：通过整合和同步多个2G价值链系统，达到在虚拟样机、虚拟制造环境下连续协作开发和多学科系统性改进，从而实现无样机（全虚拟）的目的。
通过与多所大学、研究机构以及与航空航天工业和汽车工业的密切协作，ESI已经开发出一整套用于复合材料设计和制造过程仿真的产品（图5），目前正在通过其复合材料仿真技术联合实验室（LAC-ESI-ATE复合材料仿真技术中心），推进这些技术在航空复合材料领域的应用。
以先进的树脂液态注塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）的船用全复合材料推进螺旋桨的虚拟设计和实验为例[iv]，先进复合材料国防科技重点实验室采用RTM软件和有限元方法 ，对液态复合材料注塑成型的工艺过程进行仿真设计。首先以螺旋桨桨叶的外形几何数据为基础，生成几何模型及数控加工文件，然后根据应力分析结果选择织物，确定复合材料构件纤维体积含量。在不同厚度处不同的铺层由各处曲面展开得来，复合材料制品铺层开片、下料和铺贴的数字化工具包括PAM-FORM软件等。将这些铺层开片在定型模具内逐层铺贴、固定，借助合适的定型剂进行施工，并进行真空袋定型预制，就得到干态、近净型的船用螺旋桨桨叶预制件。根据初步确定的RTM模具，这个桨叶预制件的RTM工艺过程可以在CAE环境下进行，图6为这个桨叶的充模流动过程的计算机模拟结果。
在RTM模具和工艺虚拟设计和优化的基础上，将真实的桨叶预制件放入真实的RTM模具，即可以进行RTM注胶工艺试验。试验结果见图8a。在模型桨叶试验的基础上我们进行了放大，制备成功我国第一个1:1船用大型全复合材料推进螺旋桨（图7b）。
RTM工艺虚拟设计和制造的另一个案例也取自重点实验室研制的液态成型整体制造的飞机尾翼模型（图8），其中，a是模型尾翼的数值建模，b是用RTM液态成型技术制造的缩比尾翼。在这个例子里，正确的预制技术、预制件的设计技术、以及正确的RTM成型工艺技术是获得高尺寸精度复合材料尾翼制品的保证。
值得特别一提的是，正确地把握一个材料制备或制造的技术系统是正确进行模拟仿真的基础和前提，其中，发展自己在材料和制造技术领域的核心竞争力与吸收国外先进技术为我所用相辅相成。就先进复合材料的RTM制造技术系统而言（图9），它包括专用的RTM树脂体系、预成型体制备技术、RTM注射工艺控制和固化工艺控制等。图9的框图事实上也是先进复合材料国防科技重点实验室在纺织复合材料RTM液态成型技术研究方面的创新重点和核心技术领域。
在这个技术体系里，国外（ESI公司）先进的PAM-RTM软件提供了二维和三维有限元建模，它使用Darcy定律模拟填充过程，建立了热力学模型，分析了模具的预热、模具内部的三维热传导、源相和接触阻力，也模拟了充模中和充模后的固化过程，其中的材料粘度模型是温度和固化程度的函数。依据增强体和纤维的剪切率计算了渗透率，采用在铺层设计中获取的增强体变形信息修正渗透率，变形信息来源于配套软件PAM-FORM，QUIK-FORM，CATIA Composites Part Design和FiberSim等。
在预制技术方面，ESI的QUIK-FORM可以模拟增强体在覆盖（铺设）过程中的纤维变形，适用于纺织复合材料体系的无纬布（UD）或无屈曲织物（NCF）等。零件网格、接触点和纤维方向是QUIK-FORM典型的输入数据，而输出数据则有纤维走向，剪切角和复合材料零件平面展开图。QUIK-FORM可以被集成到一个CAD系统或某些复合材料软件中，如达索系统CATIA V5的CPD（Composite Part Design）模块，或VISTAGY公司的FiberSim等，QUIK-FORM也完全集成在PAM-RTM和SYSPLY中。作为一个软件系统，PAM-RTM使用QUIK-FORM计算纤维的走向以改进液态注塑成型过程仿真的精度；在计算有限元模型单元的刚度时，SYSPLY也使用QUIK-FORM计算的纤维走向，以提高应力分析的精度。
此外，ESI的PAM-FORMÔ 2G是一种对非金属材料成型过程进行预测性虚拟仿真的专业工程软件，它可以处理层合板成型，塑料片材成型和纺织纤维成型等，为复合材料和塑料工业提供在计算机上验证和优化非金属材料制造工艺的功能。PAM-FORM可以有效地计算褶皱、开裂、材料厚度等结果，而这些结果迄今为止只能在生产结果出来后才可获得。当PAM-FORM用于工装工具的设计过程时，可大大减少物理尝试的次数以及试验模具的数量。PAM-FORM的核心功能包括（1）适用于干纺纤维，预侵料，无纬布，纺织物和无屈曲织物的材料模型，（2）适用于热成型，冲压成型，模压成型，手工铺层和滚压成型的工艺过程，（3）可以分析上模速度，定位系统，合模力，工艺过程，温度，模压材料（材料类型、厚度等）和压力循环对工艺过程的影响等。
ESI的SYSPLY是一个专门用于复合材料结构设计、分析和优化的工程软件，它可以很容易地在各种制造过程（如缠绕，覆盖等）之前就计算出复合材料层合板的力学特性，深入分析复合材料零件的静力和动态特性，从而加快设计过程，减少材料浪费和物理样机数量。在分析复合材料力学特性时，必须要考虑材料的多样性以及它们的原始力学性能数据（不均匀性和各向异性），为此，SYSPLY内置了综合材料数据系统，它可以与先进复合材料数据库系统连接。SYSPLY可交互式计算任意铺层组合的总体等效机械性能，并可通过应力、铺层失效和动态特性分析来校核复合材料零件的设计方案。
在虚拟设计、样机和虚拟制造的基础上，ESI的软件系统还提供了一个虚拟实验技术VTOS，其典型应用场合是虚拟结构坠毁实验，从而节约大量的实验成本，降低研制风险。
4、结束语
全面推进航空制造业，特别是航空先进复合材料制造技术进步、大幅度提升航空企业国际竞争力的必由之路是数字化，为此，必须建立扎实、实用、先进的数据体系和数据系统，并同时广泛采用先进的CAE技术。显然，这是一个体系庞大、内容浩瀚、技术复杂的系统工程。本文仅仅从数据问题和虚拟仿真问题这两个侧面入手，尝试论述有关的进展，介绍我们自己及其合作伙伴的工作，适当展望了发展的远景，其目的是交流、促进。
其次，一个完整而先进的技术系统需要综合运用内力和外力形成合力。在先进复合材料国防科技重点实验室的创新实践中，材料技术创新和制造技术创新是我们的本，先进的CAE系统是我们必须积极运用的工具，两者的结合将催生新的发展机遇。
作者简介：益小苏，博士、教授，北京航空材料研究院科学技术委员会主任，先进复合材料国防科技重点实验室主任。
以碳纤维增强复合材料为代表的先进复合材料技术发祥于航空航天领域，同样，CAE技术也发祥于航空航天领域。在我国，航空先进复合材料约有近30年的历史，这也恰是CAE技术在我国航空工业的应用历史，因此，先进复合材料技术与CAE技术有着天然的内在联系。
1、航空先进复合材料技术的国内外现状
复合材料技术是一项具有战略意义的国防关键技术。在一定程度上，先进复合材料的研究水平和应用程度是一个国家科技发展水平的代表，特别是在飞机制造业，各种先进的飞机无不与先进的复合材料技术紧密联系在一起。举直升机为例，复合材料在先进直升机上的用量已高达50%（重量比）左右，复合材料应用的部位已从整流罩、地板、整体壁板等次承力结构向旋翼、框、梁等主承力结构方向发展，具有典型代表的是NH-90、波音-360、V-22、RAH-66等现代直升机。复合材料在固定翼民机上的发展情况见图1。波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%。波音B 787使用复合材料的部位如图2所示。先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右，图3为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。
图1 复合材料在民机上的发展情况
随着复合材料在飞机上应用比例的不断加大，先进的数字化设计制造技术和计算机辅助分析技术等在复合材料的制造领域得到了广泛应用。铺层、下料、浸渍、成型、固化等工序的模型化模拟技术和CAD/CAM/CAE技术的运用，大大降低了开发制造成本，提高了开发和制造效率。如今复合材料的制造技术向着自动化、低成本、整体化、数字化的方向发展。
我国复合材料技术虽然已有很大的发展，但目前还远远没有达到数字化设计和制造的程度。目前，国内航空工业进行复合材料产品的生产还停留在传统的手工设计和手工制造技术上，与国外先进水平有很大的差距，而其中一个很重要的原因是缺乏成熟的数字化的设计工具，也没有先进的设计工具和数据支撑。事实上，国外的研究和应用成果已经表明，在复合材料构件的设计制造过程中，不仅要采用单项的数字化设计制造技术，而且要建立集成的数字化设计制造环境，分别从计算机软、硬件和先进的复合材料设计、制造技术角度出发，融合所有设计和制造的数字化过程，打通复合材料构件数字化生产线，实现产品数据从复合材料构件设计到最终交付的顺畅传递。更进一步地，国际先进复合材料技术目前的发展更偏向于利用虚拟的设计-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，从而最大限度的压缩新品研制周期，降低研制成本，提高产品的市场竞争力，在这个过程中，CAE技术是航空工业创新设计和数字化设计制造的核心之一。
2、先进复合材料数据技术与体系是发展的基础和瓶颈
应用CAE技术提升我国航空先进复合材料技术的发展，其基础条件和重要前提是研究、发展和建立与此相适应的复合材料数据技术和数据体系，理由如次。
2．1、 复合材料数据体系建设是实现数字化技术的基础
科学数据是科技创新的重要源泉。基础性科学数据作为科技活动发展的基础和成果，是科学技术滚动发展的平台。一个好的科学思想、理论假说和应用技术，必须在掌握大量前人资料和科学数据的基础上才能形成，同时也必须在大量相关数据的支撑下才能被证实。而对科学数据进行系统化的综合分析，进而促进新的科学思维的产生，是实现科技创新的重要方式，并推动交叉学科的发展。特别是当代科学技术的发展趋势明显呈现出大科学、定量化和注重过程研究等特点，越来越依赖于系统的、高可信度的基本科学数据及其衍生的数据产品。而科学研究工作本身也就是科学数据的生产过程。在材料应用研究工作中，材料数据作为研究成果的体现和研究工作的依据，在整个科研工作中都起着非常重要的作用。但是，材料数据本身是一种资源，这一点在我国并未得到应有重视。
2．2、 先进国家的国家级材料数据管理体系和运行模式
先进国家非常重视材料数据管理和应用系统的建设和维护。到目前为止，在美国国防部国防技术信息中心（DTIC）的领导下，美国已建设了13个国家级的数据系统，形成了庞大的国防工业数据管理和应用体系，为美国国防工业保持其世界领先的竞争力和可持续发展立下汗马功劳。
分析美国在材料数据管理和应用技术方面的先进经验，可以总结出3个重要启示：（1）由政府及国防部积极推动和资助，由AMPTIAC这样的专业机构进行商业化运作和管理，具有完善的组织体系。体系的发展伴随着新材料的出现不断扩充、兼并、组合和完善；网络化数据管理已成为主要手段，实现了跨时间、跨地域的数据共享；（2）材料数据管理范围含盖金属及金属基复合材料，陶瓷及陶瓷基复合材料，高分子结构及高分子基复合材料，电子、光学及光电子材料，环境保护及特殊功能材料等五大类；既有处于实验和开发阶段的材料数据，也含有许多已知、成熟、有价值的材料信息。（3）由材料和信息技术两方面专家合作从事数据收集、评估、包装、标准实施、数据库开发等。注重服务，服务范围包括技术咨询、调查、培训，相关材料技术报告的汇编、出版和发行等。
2．3、 我国航空材料数据库的历史经验
自80年代以来，我国航空工业也着手建立各种材料数据库，例如国防示范库，腐蚀数据库，航空材料手册库，机载材料数据库，引进材料数据库，XX工程材料数据库，复合材料库等。总结起来，（1）把建设数据库作为一个内向的科研项目，没有深入了解用户的需求和工作方式，也没有与用户进行有效的沟通，用户认知度低。（2）没有真正认识到数据的质量是数据库有用的基础，数据库的作用是有效地管理和使用数据，结果是无用数据长期压库。（3）数据系统设计没有利用信息技术的发展和及时更新，往往是数据库建成后很快老化、报废。（4）缺乏有效的长期运行机制，数据库课题结束，数据库的使命也随之结束。（5）不具备计算机网络硬件设施和方便互通的网络使用环境。（6）服务意识模糊，开放意识淡薄。（7）数据管理的诸多方面，如系统性、准确性、可靠性、可追溯性、安全性、知识产权保护、授权访问应用等未予以充分考虑，数据来源和应用范围受到了制约。
2．4、 复合材料数据的特殊性
根据美国军用复合材料手册（MIL-HDBK-17F），先进复合材料技术和复合材料数据的特点包括（1）复合材料包括基体和增强材料，性能表征必须从组分开始。（2）由于复合材料的失效机理与金属材料完全不同，金属的性能测试方法基本上都不适用于复合材料；同时复合材料还有很多特殊的性能表征要求，特别是湿热和抗冲击性能。（3）复合材料是可设计材料（不同比例、不同纤维方向的铺层），其基本结构元素¾层压板的性能表征非常复杂。（4）复合材料的结构与材料同步形成，材料和工艺的变异性对材料（同时也是结构）性能具有重要影响。（5）国际范围仍缺乏复合材料及其结构的设计和使用经验，必须采用积木式的试验验证（性能表征包括组分、单层、层压板、结构元件和组合件等），因此试验种类和数量远超过金属。（6）复合材料性能数据必须包括：材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实。此外，MIL-HDBK-17F还要求（7）对不同批次、不同时间、不同实验室的同一复合材料体系的试验结果的数据可追踪性，不同厚度数据的归一化处理，异常数据的剔除原则，数据统计处理的方法等原则和操作步骤；（8）除单独性能表征的标准化外，针对材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实等，分别给出试验矩阵。
2．5、 复合材料的测试技术与测试标准技术体系
建立复合材料数据库，复合材料测试技术标准必须先行。由于复合材料性能表征是复合材料及其结构研制与生产的重要组成部分，如此复杂多变的内容对其质量保证和结构验证有着极其重要的影响，同时也占了其研制和生产成本和时间的很大比重，因此复合材料性能表征及其标准化一直是复合材料界的主要研究领域之一。标准化包含两方面内容，即性能表征的范围和方法（包括试验标准、数量及数据处理方法等）及针对不同应用情况建议的试验矩阵。随着复合材料及其结构研究的深入与应用的不断扩大，标准化的研究也在不断深入和发展。MIL-HDBK-17及ASTM D30下属复合材料标准陆续不断地更新和内容不断地增添，就反映了美国复合材料界在这方面的研究进展。
2．6、 数据库建设与知识管理系统
数据库的核心是优质的数据和高效的数据管理和应用，而优质的数据来源于对材料的测试、分析和模型化工作，涉及大量的经验和知识，即便是照搬Mil-HDBK17，要从上千页的手册里找到合适的方法和技术也不是一件简单的事，同时还需要进行大量的“What-If”分析和多方法或技术的平衡和优化，因此，就产生了对经验和知识进行管理和开发利用的问题。这个技术在国际上亦具有前瞻性。
现阶段的可行方案之一是依托虚拟开发环境，将数据获得、产生、分析、应用等不同阶段的测试条件、测试参数变化、材料状态变化、材料参数变化、载荷边界条件变化等与流程相关的所有数据保留在关系型数据库中，经数据挖掘、总结、抽取和PLM下的知识定义技术、管理技术，形成一个数字化、基于数据库的知识库。
2．7、复合材料制件设计制造具有独特性
（1）复合材料是各向异性材料，具有可设计性，也就是说可以按需要进行设计，树脂含量、铺层厚度、铺设方向以及各个方向的铺层所占的比例等均作为设计参数，所设计的复合材料制件具有金属结构所不具有的特性。（2）复合材料制件的设计、制造与金属结构相比要复杂得多，需要投入更多的精力对结构每一部分进行细致入微的定义。（3）复合材料制件在成形零件的同时也完成材料的制造的工艺特点，决定了复合材料制件制造时必须同时考虑设计、材料、工艺、制造、检测/无损检测、实验验证等综合因素，这些因素密不可分，在复合材料制件制造过程中必须统筹考虑。
2．8、复合材料制件设计需要借助数字化平台进行管理
复合材料制件设计工作体现在材料层次、制件层次和工程层次3个不同的层次。复合材料性能的设计包括选材、层合板强度和刚度的铺层剪裁优化设计等，复合材料制件的设计包括损伤容限设计、连接设计等，这些设计建筑在细观力学、弹性力学等的基础上，并考虑特殊服役条件（如温度、湿度和高周疲劳影响等）对性能、结构完整性及其稳定性的影响。在工程层次上，复合材料特殊的制备过程和生产过程将显著影响复合材料制件的结构与性能，譬如制造缺陷、工艺宽容度等。因此，复合材料制件的设计与金属制件的设计相比，涉及到更多的数据、规律、经验和知识，其性能更依赖于试样、元件、结制件和全尺寸部件等多层次的积木式的验证试验，更需要数字化、信息化工具的支撑，更需要借助数字化平台进行管理。
2．9. 复合材料制件制造需要进行综合工艺验证
复合材料制件制造工艺方法多种多样，为保证产品质量，每种制造工艺方法都应该进行工艺设计、计算机数值模拟仿真和工艺过程优化等。在复合材料制件的研制或生产过程中，质量监控和无损检测占有重要地位，复合材料和制件的质量与人员、设备、方法、环境等因素密切相关，受控环节和数据非常多。在完成样件制造后，还必须进行综合实验验证，将综合验证的结果反馈给设计、材料、工艺制造和检测等主要环节，形成闭环控制。因此，复合材料制件的工程化应用是一个庞大而复杂的系统工程，迫切需要综合应用现代的计算机技术的CAD、CAE、CAM、CAPP和数字化的数据库技术等进行统筹管理。
2．10、小结
综上所述，先进复合材料的数据技术和数据体系建设是航空复合材料技术发展的基础，但也是我国目前存在的技术瓶颈。就航空复合材料的数字化和CAE应用技术而言，研究建立我国先进的复合材料数据体系和数据库已成为当务之急，其中也蕴藏着技术创新和体制创新的大好机遇。
根据国防科工委“强化基础、提高能力”的发展战略，有关先进复合材料数据技术和数据体系建设的研究工作已经进入国家“十一五”计划的实施阶段，由北京航空材料研究院主承担。为此，北京航空材料研究院正在组建包括有关厂所的联合团队，其目标是建立符合国际通用标准，技术先进和管理先进，面向用户的航空先进复合材料数据体系及数据库（图4），为航空复合材料科技工业的跨越式发展奠定扎实的技术基础和支撑平台。
3、先进复合材料的CAE虚拟“材料-设计-制造-验证”一体化
先进复合材料数据技术和数据体系建设与CAE技术系统具有辨证统一的内在联系。在复合材料数据技术和数据体系的支撑下，我国航空先进复合材料CAE技术的目标将是实现由模拟量设计制造向数字化设计制造的转变，同时推进实现虚拟设计制造先于真实设计制造、虚拟设计制造与真实设计制造同步发展的创新模式，带动我国航空复合材料和国防复合材料技术的科技进步与跨越式发展。
近些年来，通过系统研究和分析用户在企业内实现虚拟工程的方法，ESI公司确定了以下三个发展步骤：步骤1：单独的虚拟测试，以帮助减少物理样机的数量，例如碰撞试验，材料成形试验和装配试验等。步骤2：根据特定设计规范（例如防撞性、复合材料、振动噪声、舒适度、框架装配等），将一系列虚拟测试链接起来，进一步减少试验样机数量。步骤3：动态连接企业资源管理系统（ERP）和多个数字试验模型（DMU），在产品开发中逐渐减少完整产品的物理原型，而不仅仅是各个局部的物理原型。为此，ESI推出虚拟工程一体化的解决方案（图4），包括“1G”：通过本质上在数字试验模型中考虑材料物理，以更好地理解、改进或取代特定的试验环节，达到更好地试验的目的。“2G”：针对一个工程问题而集成所有相关的1G应用，由此减少产品设计和开发阶段的物理样机，使设计人员在产品设计的早期阶段就能作出评估和决策。“3G” PLM：通过整合和同步多个2G价值链系统，达到在虚拟样机、虚拟制造环境下连续协作开发和多学科系统性改进，从而实现无样机（全虚拟）的目的。
通过与多所大学、研究机构以及与航空航天工业和汽车工业的密切协作，ESI已经开发出一整套用于复合材料设计和制造过程仿真的产品（图5），目前正在通过其复合材料仿真技术联合实验室（LAC-ESI-ATE复合材料仿真技术中心），推进这些技术在航空复合材料领域的应用。
以先进的树脂液态注塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）的船用全复合材料推进螺旋桨的虚拟设计和实验为例[iv]，先进复合材料国防科技重点实验室采用RTM软件和有限元方法 ，对液态复合材料注塑成型的工艺过程进行仿真设计。首先以螺旋桨桨叶的外形几何数据为基础，生成几何模型及数控加工文件，然后根据应力分析结果选择织物，确定复合材料构件纤维体积含量。在不同厚度处不同的铺层由各处曲面展开得来，复合材料制品铺层开片、下料和铺贴的数字化工具包括PAM-FORM软件等。将这些铺层开片在定型模具内逐层铺贴、固定，借助合适的定型剂进行施工，并进行真空袋定型预制，就得到干态、近净型的船用螺旋桨桨叶预制件。根据初步确定的RTM模具，这个桨叶预制件的RTM工艺过程可以在CAE环境下进行，图6为这个桨叶的充模流动过程的计算机模拟结果。
在RTM模具和工艺虚拟设计和优化的基础上，将真实的桨叶预制件放入真实的RTM模具，即可以进行RTM注胶工艺试验。试验结果见图8a。在模型桨叶试验的基础上我们进行了放大，制备成功我国第一个1:1船用大型全复合材料推进螺旋桨（图7b）。
RTM工艺虚拟设计和制造的另一个案例也取自重点实验室研制的液态成型整体制造的飞机尾翼模型（图8），其中，a是模型尾翼的数值建模，b是用RTM液态成型技术制造的缩比尾翼。在这个例子里，正确的预制技术、预制件的设计技术、以及正确的RTM成型工艺技术是获得高尺寸精度复合材料尾翼制品的保证。
值得特别一提的是，正确地把握一个材料制备或制造的技术系统是正确进行模拟仿真的基础和前提，其中，发展自己在材料和制造技术领域的核心竞争力与吸收国外先进技术为我所用相辅相成。就先进复合材料的RTM制造技术系统而言（图9），它包括专用的RTM树脂体系、预成型体制备技术、RTM注射工艺控制和固化工艺控制等。图9的框图事实上也是先进复合材料国防科技重点实验室在纺织复合材料RTM液态成型技术研究方面的创新重点和核心技术领域。
在这个技术体系里，国外（ESI公司）先进的PAM-RTM软件提供了二维和三维有限元建模，它使用Darcy定律模拟填充过程，建立了热力学模型，分析了模具的预热、模具内部的三维热传导、源相和接触阻力，也模拟了充模中和充模后的固化过程，其中的材料粘度模型是温度和固化程度的函数。依据增强体和纤维的剪切率计算了渗透率，采用在铺层设计中获取的增强体变形信息修正渗透率，变形信息来源于配套软件PAM-FORM，QUIK-FORM，CATIA Composites Part Design和FiberSim等。
在预制技术方面，ESI的QUIK-FORM可以模拟增强体在覆盖（铺设）过程中的纤维变形，适用于纺织复合材料体系的无纬布（UD）或无屈曲织物（NCF）等。零件网格、接触点和纤维方向是QUIK-FORM典型的输入数据，而输出数据则有纤维走向，剪切角和复合材料零件平面展开图。QUIK-FORM可以被集成到一个CAD系统或某些复合材料软件中，如达索系统CATIA V5的CPD（Composite Part Design）模块，或VISTAGY公司的FiberSim等，QUIK-FORM也完全集成在PAM-RTM和SYSPLY中。作为一个软件系统，PAM-RTM使用QUIK-FORM计算纤维的走向以改进液态注塑成型过程仿真的精度；在计算有限元模型单元的刚度时，SYSPLY也使用QUIK-FORM计算的纤维走向，以提高应力分析的精度。
此外，ESI的PAM-FORMÔ 2G是一种对非金属材料成型过程进行预测性虚拟仿真的专业工程软件，它可以处理层合板成型，塑料片材成型和纺织纤维成型等，为复合材料和塑料工业提供在计算机上验证和优化非金属材料制造工艺的功能。PAM-FORM可以有效地计算褶皱、开裂、材料厚度等结果，而这些结果迄今为止只能在生产结果出来后才可获得。当PAM-FORM用于工装工具的设计过程时，可大大减少物理尝试的次数以及试验模具的数量。PAM-FORM的核心功能包括（1）适用于干纺纤维，预侵料，无纬布，纺织物和无屈曲织物的材料模型，（2）适用于热成型，冲压成型，模压成型，手工铺层和滚压成型的工艺过程，（3）可以分析上模速度，定位系统，合模力，工艺过程，温度，模压材料（材料类型、厚度等）和压力循环对工艺过程的影响等。
ESI的SYSPLY是一个专门用于复合材料结构设计、分析和优化的工程软件，它可以很容易地在各种制造过程（如缠绕，覆盖等）之前就计算出复合材料层合板的力学特性，深入分析复合材料零件的静力和动态特性，从而加快设计过程，减少材料浪费和物理样机数量。在分析复合材料力学特性时，必须要考虑材料的多样性以及它们的原始力学性能数据（不均匀性和各向异性），为此，SYSPLY内置了综合材料数据系统，它可以与先进复合材料数据库系统连接。SYSPLY可交互式计算任意铺层组合的总体等效机械性能，并可通过应力、铺层失效和动态特性分析来校核复合材料零件的设计方案。
在虚拟设计、样机和虚拟制造的基础上，ESI的软件系统还提供了一个虚拟实验技术VTOS，其典型应用场合是虚拟结构坠毁实验，从而节约大量的实验成本，降低研制风险。
4、结束语
全面推进航空制造业，特别是航空先进复合材料制造技术进步、大幅度提升航空企业国际竞争力的必由之路是数字化，为此，必须建立扎实、实用、先进的数据体系和数据系统，并同时广泛采用先进的CAE技术。显然，这是一个体系庞大、内容浩瀚、技术复杂的系统工程。本文仅仅从数据问题和虚拟仿真问题这两个侧面入手，尝试论述有关的进展，介绍我们自己及其合作伙伴的工作，适当展望了发展的远景，其目的是交流、促进。
其次，一个完整而先进的技术系统需要综合运用内力和外力形成合力。在先进复合材料国防科技重点实验室的创新实践中，材料技术创新和制造技术创新是我们的本，先进的CAE系统是我们必须积极运用的工具，两者的结合将催生新的发展机遇。
作者简介：益小苏，博士、教授，北京航空材料研究院科学技术委员会主任，先进复合材料国防科技重点实验室主任。
