復合材料以其比強度、比模量高，耐腐蝕、抗疲勞等優點，在工業界得到了越來越多的應用。特別是在航空航天方面，由于鋼鐵和有色合金很難滿足日趨苛刻的重量、力學等設計性能要求，復合材料更是得到了廣泛的應用。波音787和A350飛機的復合材料用量都超過50%，同時也在研發過程中面臨許多重大挑戰，除了大量的小樣件和部段試驗件的試驗測試，仿真優化技術也是解決各種技術難題，縮短研發周期的重要技術手段。

　　Altair公司是的工程設計技術開發者，旗艦產品HyperWorks軟件包含了HyperMesh、OptiStruct、RADIOSS、MotionView、HyperStudy等著名模塊，是的企業級產品創新解決方案。過去10年，Altair公司投入巨大的人力物力，跟航空工業界緊密合作，基于HyperWorks軟件平臺，開發了復合材料建模、仿真、優化、可視化后處理等技術，目前已經在空客和波音等公司得到大量應用。

　　復合材料建模技術

　　HyperMesh是目前上著名的CAE前處理軟件，提供了無與倫比的建模功能和廣泛的CAD和CAE軟件接口。針對復合材料，HyperMesh提供了專業的復合材料前處理模塊HyperLaminate，具有直觀便捷的用戶界面（如圖1所示），可以快速地對復合材料模型進行創建、檢查和編輯，直觀定義每一鋪層的厚度、角度及材料屬性（纖維及基體），定義各種復合材料失效準則等。

　　HyperMesh支持ply+stack的復合材料鋪層定義方式，即定義出各復合材料物理鋪層的范圍（用單元集表示），一個物理鋪層對應一個ply卡片，然后通過stack卡片把各個ply按次序層疊起來，形成完整的層合板。例如，復合材料T型長桁與蒙皮膠接結構可以通過圖2所示的方法來定義。

　　采用ply+stack建模技術，可以方便地對復合材料層合板進行建模和編輯、三維顯示和鋪層方向顯示等，如圖3所示。

　　復合材料分析求解技術

　　HyperLaminate自帶經典的層合板理論求解器，可以計算出層合板的[A][B][D]矩陣（如圖4所示），以及等效的材料[G1]，[G2]，[G3]，[G4]矩陣，可以將復雜的三維各項異性的復合材料層合板等效轉換成簡單的二維各向異性材料平板，實現模型信息保密，方便采用PSHELL單元建模。

　　RADIOSS是功能強大的有限元求解器，具有線性，顯式、隱式非線性求解功能，擁有拉格朗日、歐拉、ALE、SPH等算法，及有限元、有限體積等數值處理技術；可用于結構的線性、非線性和流固耦合等問題的求解。RADIOSS支持復合材料的定義和求解，支持PCOMP定義鋪層，PCOMPG定義總體分層，PCOMPP定義鋪層形狀及次序，可以方便地求解出各鋪層的應力、應變和失效指數。此外，RADIOSS提供多種單元和材料格式，可以精確地模擬各種非線性現象，如分層，失效、撞擊破壞等，如圖5所示；提供全面的失效準則，如Tsai-Wu、Chang-Chang、Hashin、Puck、Yamada Sun&Ladeveze-Allix準則，并且可以在一種材料中應用多種失效準則。

　　復合材料結構優化和減重技術

　　“為減輕每一克重量而努力”是每個飛機設計工程師的工作信條。復合材料相比金屬，天生具有重量輕的優勢，如果充分發揮復合材料的可設計性能，在鋪層層面上進行優化設計，則更具有輕量化的優勢。

　　OptiStruct具有強大而全面的復合材料優化能力，支持從初的零件結構樣式，到鋪層裁剪形狀和厚度分布，到鋪層角度和層數（鋪層比）的優化，到終鋪層層疊次序的各個階段的優化設計方法，可以考慮各鋪層的應力、應變、失效、屈曲等性能約束，以及各種工藝要求，提供了前所未有的復合材料優化設計能力，其設計流程如圖6所示。

　　應用案例

　　HyperWorks復合材料仿真優化技術已經在航空工業界得到廣泛應用，并取得大量的工程成果，部分案例如圖7~圖9所示。

　　結束語

　　HyperWorks復合材料仿真和優化技術已經非常成熟，并在國外新一代飛機（如A350和波音787）研發設計中得到驗證，在Altair的航空航天工程咨詢團隊同國內單位的復合材料項目合作中也取得許多工程成果。