構建復合材料航空結構開發數字化工廠——專訪西門子工業軟件有限公司Fibersim產品及航空市場總監約翰·奧康納
《航空報》：過去的二十年間，復合材料的應用得到顯著的提升，您認為驅動這一趨勢的主要原因是什么？
約翰·奧康納：關于環保及燃油經濟性的性關注，使得人們在航空航天和汽車行業越來越關注執行效率。這也就驅動相關的公司在其產品中引入一些包含復合材料在內的先進材料。其中復合材料以其顯著的比強度、比模量使得公司有更大的可能性設計出環境更友好、燃油更經濟的產品，與此同時，這一明顯的趨勢也驅動復合材料專業的工程軟件，比如Fibersim，來幫助這些單位設計并制造出滿足其需要的復合材料產品。
《航空報》：復合材料與傳統材料在有限元分析與結構設計之間的不同之處？
約翰·奧康納：傳統材料比如金屬材料的有限元分析和結構設計通常是一種各向同性的材料。復合材料不是各向同性的材料。復合材料極其復雜，不可分割的鋪層通過類似“裝配”的方法及特有的制造工藝來進行制造，比如手工鋪敷或自動鋪帶/纖維鋪放。這意味著復合材料結構的性能與材料類型、幾何形狀和制造工藝都有關系。這些都必須在復合材料有限元分析與結構設計中加以考慮。
如果沒有專業的工具，把復合材料復雜的鋪層屬性在結構設計與有限元分析中進行數據傳遞，通常也是一件困難的工作。大多數情況下，盡管對材料屬性的理解已經很詳細，但如何分析實際當中的復合材料結構件仍然是一個挑戰。這些挑戰來自兩方面：先，結構設計階段的復雜的復合材料屬性在工程階段難以實現充分的數據共享，這就導致了難以進行準確的有限元分析。這同時也導致設計階段的近似性和不確定性。其次，設計階段定義的‘理論的纖維方向’通常與生產過程中的‘實際的纖維方向’不一致。這意味著復合材料基礎的材料屬性通常沒有被完全理解，因為纖維的方向是決定其屬性的關鍵。
解決以上兩個問題的關鍵在于提供一種恰當的復合材料定義，能夠綜合考慮材料類型，設計方法和制造方法。這個定義完整捕獲了詳細的復合材料設計并能夠幫助定義詳細的復合材料有限元模型，提高有限元分析工程師在分析結果，減少過度設計同時更完整地優化整個結構。Fibersim正是提供這一關鍵能力的有效工具。
《航空報》：未來5年，復合材料設計領域的發展趨勢怎樣？
約翰·奧康納：復合材料設計現在已經達到了一定程度上的更廣闊的市場成熟。目前我們面臨的復合材料不僅包含航空航天，也包含越來越多的汽車等其他行業。比較清楚的一點是，未來5年及將來，復合材料的用量仍然會保持高速的增長趨勢。
在設計領域，有兩個關鍵的方面會得到繼續發展。先是采用優化的方法。在傳統的金屬材料設計中，有一些應用很多年的，簡化了的設計方法，而對復合材料而言，這些舊的設計方法無法再繼續直接使用。因為復合材料的特性與金屬材料完全不一樣，因此有必要采用新的，更加優化的設計方法來代替舊的設計方法。其次這些設計方法需要同時考慮制造約束，并能保證面向產品性能和生產效率優化設計。西門子的復合材料結構設計和有限元分析解決方案能夠支持這兩個方面，同時我們也在繼續專注并研發新的設計能力，以更好地支持我們的客戶，滿足他們在復合材料創新方面的需求。
《航空報》：您能否介紹下Siemens PLM Software能夠為復合材料提供哪些設計和分析方面的解決方案？
約翰·奧康納：Siemens PLM Software的戰略是為的復合材料設計、分析和制造的客戶提供先進的、開放性的解決方案及服務。我們提供開放性的解決方案，允許用戶使用適合他們情況的設計和分析工具，如CAD、PLM和CAE工具等。Siemens PLM Software復合材料解決方案主要基于Fibersim作為核心的設計工具，這些在過去的30年間得到了眾多復合材料用戶的實際項目驗證。Fibersim提供不同類型零件的設計方法，制造評估并能夠控制成本和避免錯誤，同時提供市場上范圍廣的復合材料制造設備（自動下料機，激光投影儀，自動鋪帶機/自動鋪絲機等）方面的數據接口。
同時，Siemens PLM Software還提供復合材料線性及非線性有限元分析方面的能力，通過我們的Laminate Composites產品，用戶能夠進行復合材料的尺寸優化，評估設計初期的復合材料力學屬性（許用值，載荷等），鋪層優化并驗證初期的層合板鋪層。在收購了LMS后，Siemens PLM Software通過SAMCEF進而補充了這方面的能力，SAMCEF具有業內先進的線性和非線性發復合材料分析方面的能力，漸進式失效分析（比如損傷，沖擊，層間損傷等），及分析大尺度復合材料部件的能力。Siemens PLM Software全部的復合材料相關的產品能夠提供目前市場上，強大的及全面的復合材料設計和分析方面的能力。
《航空報》：Siemens PLM Software復合材料方面的能力與其他復合材料方案比較有哪些優勢？
約翰·奧康納：我們處于的復合材料設計和分析領域領導者地位超過20多年。我們的先進技術已經被超過400多家的航空航天企業及其進行的復合材料項目得到全面的驗證。Siemens PLM Software復合材料解決方案之所以如此強大的原因在于Fibersim能夠進行準確的復合材料可制造分析。這一獨特的能力提供了市場上先進的預測纖維走向的工具，同時提供了準確的面向有限元分析和制造階段的數據。這一優勢支持全面的纖維仿真，進而幫助復合材料設計團隊進行復合材料持續的創新。20多年的實踐表明，Siemens PLM Software的復合材料方面的產品是復合材料行業的先進的工具，滿足了復合材料行業不斷增加的新的挑戰。
《航空報》：西門子作為德國“工業4.0”戰略的倡導者及實踐者，西門子在復合材料方面的能力如何與“工業4.0”及數字化工廠的戰略進行融合呢？
約翰·奧康納：西門子公司是德國“工業4.0”概念的倡導者及實踐者，數字化工廠是“工業4.0”的基礎及主要組成部分，同時“制造2025”戰略其中一個重要的領域也是：以信息技術與制造技術深度融合為特征的數字化網絡化智能化制造，航空航天裝配是該規劃指定的十大領域之一。西門子數字化工廠是包含全部西門子在自動化，PLM，及運動控制方面的優勢，面向制造類企業的全面的解決方案。復合材料零件制造是西門子數字工廠方案其中的一個具體應用，展示了西門子的業內的復合材料技術能力。這樣一個復合材料研發體系包含了產品設計和工藝規劃（PLM）,制造執行管理（Manufacturing Operations Management），工業自動化系統（SIMATIC），及運動控制（SINUMERK），提供的業內完整及強大的復合材料零件制造解決方案。Siemens PLM Software是西門子復合材料數字化工廠技術方案的重要參與者，目前在多家的航空航天企業逐步得到實踐。
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約翰·奧康納：關于環保及燃油經濟性的性關注，使得人們在航空航天和汽車行業越來越關注執行效率。這也就驅動相關的公司在其產品中引入一些包含復合材料在內的先進材料。其中復合材料以其顯著的比強度、比模量使得公司有更大的可能性設計出環境更友好、燃油更經濟的產品，與此同時，這一明顯的趨勢也驅動復合材料專業的工程軟件，比如Fibersim，來幫助這些單位設計并制造出滿足其需要的復合材料產品。
《航空報》：復合材料與傳統材料在有限元分析與結構設計之間的不同之處？
約翰·奧康納：傳統材料比如金屬材料的有限元分析和結構設計通常是一種各向同性的材料。復合材料不是各向同性的材料。復合材料極其復雜，不可分割的鋪層通過類似“裝配”的方法及特有的制造工藝來進行制造，比如手工鋪敷或自動鋪帶/纖維鋪放。這意味著復合材料結構的性能與材料類型、幾何形狀和制造工藝都有關系。這些都必須在復合材料有限元分析與結構設計中加以考慮。
如果沒有專業的工具，把復合材料復雜的鋪層屬性在結構設計與有限元分析中進行數據傳遞，通常也是一件困難的工作。大多數情況下，盡管對材料屬性的理解已經很詳細，但如何分析實際當中的復合材料結構件仍然是一個挑戰。這些挑戰來自兩方面：先，結構設計階段的復雜的復合材料屬性在工程階段難以實現充分的數據共享，這就導致了難以進行準確的有限元分析。這同時也導致設計階段的近似性和不確定性。其次，設計階段定義的‘理論的纖維方向’通常與生產過程中的‘實際的纖維方向’不一致。這意味著復合材料基礎的材料屬性通常沒有被完全理解，因為纖維的方向是決定其屬性的關鍵。
解決以上兩個問題的關鍵在于提供一種恰當的復合材料定義，能夠綜合考慮材料類型，設計方法和制造方法。這個定義完整捕獲了詳細的復合材料設計并能夠幫助定義詳細的復合材料有限元模型，提高有限元分析工程師在分析結果，減少過度設計同時更完整地優化整個結構。Fibersim正是提供這一關鍵能力的有效工具。
《航空報》：未來5年，復合材料設計領域的發展趨勢怎樣？
約翰·奧康納：復合材料設計現在已經達到了一定程度上的更廣闊的市場成熟。目前我們面臨的復合材料不僅包含航空航天，也包含越來越多的汽車等其他行業。比較清楚的一點是，未來5年及將來，復合材料的用量仍然會保持高速的增長趨勢。
在設計領域，有兩個關鍵的方面會得到繼續發展。先是采用優化的方法。在傳統的金屬材料設計中，有一些應用很多年的，簡化了的設計方法，而對復合材料而言，這些舊的設計方法無法再繼續直接使用。因為復合材料的特性與金屬材料完全不一樣，因此有必要采用新的，更加優化的設計方法來代替舊的設計方法。其次這些設計方法需要同時考慮制造約束，并能保證面向產品性能和生產效率優化設計。西門子的復合材料結構設計和有限元分析解決方案能夠支持這兩個方面，同時我們也在繼續專注并研發新的設計能力，以更好地支持我們的客戶，滿足他們在復合材料創新方面的需求。
《航空報》：您能否介紹下Siemens PLM Software能夠為復合材料提供哪些設計和分析方面的解決方案？
約翰·奧康納：Siemens PLM Software的戰略是為的復合材料設計、分析和制造的客戶提供先進的、開放性的解決方案及服務。我們提供開放性的解決方案，允許用戶使用適合他們情況的設計和分析工具，如CAD、PLM和CAE工具等。Siemens PLM Software復合材料解決方案主要基于Fibersim作為核心的設計工具，這些在過去的30年間得到了眾多復合材料用戶的實際項目驗證。Fibersim提供不同類型零件的設計方法，制造評估并能夠控制成本和避免錯誤，同時提供市場上范圍廣的復合材料制造設備（自動下料機，激光投影儀，自動鋪帶機/自動鋪絲機等）方面的數據接口。
同時，Siemens PLM Software還提供復合材料線性及非線性有限元分析方面的能力，通過我們的Laminate Composites產品，用戶能夠進行復合材料的尺寸優化，評估設計初期的復合材料力學屬性（許用值，載荷等），鋪層優化并驗證初期的層合板鋪層。在收購了LMS后，Siemens PLM Software通過SAMCEF進而補充了這方面的能力，SAMCEF具有業內先進的線性和非線性發復合材料分析方面的能力，漸進式失效分析（比如損傷，沖擊，層間損傷等），及分析大尺度復合材料部件的能力。Siemens PLM Software全部的復合材料相關的產品能夠提供目前市場上，強大的及全面的復合材料設計和分析方面的能力。
《航空報》：Siemens PLM Software復合材料方面的能力與其他復合材料方案比較有哪些優勢？
約翰·奧康納：我們處于的復合材料設計和分析領域領導者地位超過20多年。我們的先進技術已經被超過400多家的航空航天企業及其進行的復合材料項目得到全面的驗證。Siemens PLM Software復合材料解決方案之所以如此強大的原因在于Fibersim能夠進行準確的復合材料可制造分析。這一獨特的能力提供了市場上先進的預測纖維走向的工具，同時提供了準確的面向有限元分析和制造階段的數據。這一優勢支持全面的纖維仿真，進而幫助復合材料設計團隊進行復合材料持續的創新。20多年的實踐表明，Siemens PLM Software的復合材料方面的產品是復合材料行業的先進的工具，滿足了復合材料行業不斷增加的新的挑戰。
《航空報》：西門子作為德國“工業4.0”戰略的倡導者及實踐者，西門子在復合材料方面的能力如何與“工業4.0”及數字化工廠的戰略進行融合呢？
約翰·奧康納：西門子公司是德國“工業4.0”概念的倡導者及實踐者，數字化工廠是“工業4.0”的基礎及主要組成部分，同時“制造2025”戰略其中一個重要的領域也是：以信息技術與制造技術深度融合為特征的數字化網絡化智能化制造，航空航天裝配是該規劃指定的十大領域之一。西門子數字化工廠是包含全部西門子在自動化，PLM，及運動控制方面的優勢，面向制造類企業的全面的解決方案。復合材料零件制造是西門子數字工廠方案其中的一個具體應用，展示了西門子的業內的復合材料技術能力。這樣一個復合材料研發體系包含了產品設計和工藝規劃（PLM）,制造執行管理（Manufacturing Operations Management），工業自動化系統（SIMATIC），及運動控制（SINUMERK），提供的業內完整及強大的復合材料零件制造解決方案。Siemens PLM Software是西門子復合材料數字化工廠技術方案的重要參與者，目前在多家的航空航天企業逐步得到實踐。
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