建模仿真:“集成計算材料工程”未來復合材料的突破

 
　　Dale Brosius成立了自己的咨詢公司，服務于復合材料行業的客戶。服務內容包括戰略規劃、市場分析，協助并購活動和技術支持。他曾供職于美國陶氏化學有限公司、氰特公司和澳大利亞Quickstep公司等。在近發表的談話中，他談到了建模仿真在未來復合材料發展中的作用。談話內容如下：
　　在2013年7月發行的高性能復合材料(HPC)中，他認為，載人戰斗機F -35將是后一個。這是基于一個不可否認的事實:計算能力將繼續大幅增長，使人工智能超過人類飛行員的戰斗能力。他還提到，由于無人機能比有人機更具性能優勢，因而這將為復合材料提供新的機遇。在2014年10月期的HPC的姊妹雜志——復合材料技術(CT)上，他表示，與消費電子和信息技術產業相比，復合材料的創新速度還是太緩慢了。與30年前相比，一個智能手機的計算能力超過了一屋子的處理硬件，然而我們仍然難以克服復合材料應用于基礎設施、汽車和飛機的內在障礙。
　　他把他的職業生涯付諸于“做實事”，他認為計算機建模與仿真是一群在屏幕上的漂亮圖片。在虛擬中不能開車去餐館或者乘一架虛擬的飛機飛到夏威夷，我推斷。真正的制造——制備成噸的環氧樹脂，鋪層，固化預浸料，在一個封閉模內進行紡織預成形體的熔滲——就是使復合材料塑造成我們的橋梁，我們的汽車和飛機。不過，就大多數我的經驗關于計算機建模/仿真是CAD或有限元分析專家的事，他們提出零部件的適于制造的角度或尺寸，或提出初始層壓方案，然后評價壓力的結果，以確定需要添加或者帶走更多材料的部位。是的，所有非?；镜臇|西。
　　然而，在過去的幾年里，他一直對高壓RTM的型腔充填分析和采用計算流體動力學的液體傳熱介質進行的熱模擬，在實際驗證中提高精度的研究印象深刻。因此，他相信，在大的方面，計算能力有可能真正改變復合材料行業。
　　去年12月，他參加了“復合材料”在美國圣地亞哥舉辦的2014碳纖維會議，我順路拜訪了BIOVIA——軟件巨頭達索系統（位于法國Velizy-Villacoublay）的子公司，以其CAD程序CATIA著稱。有人給我展示了一個產品稱為材料工作室，它模擬物質的分子和原子的水平，并模擬這些材料如何與其他材料的相互作用。制藥行業已經使用的這樣的工具來開發新藥物，一些先進復合材料供應商正在研究如何利用它們來設計新的樹脂和改善纖維/基體附著力。
　　理論上，分子水平上的屬性可以擴展到全尺寸的零件，能夠準確預測飛機機翼的性能或車輛橋梁而無需構建和測試大量的試樣和子元件。集成計算材料工程（ICME）一詞已經創造了定義這個概念。雖然我相信我們距離能夠跨越整個路程仍需幾年，但今天有很多的計算工具——正確集成——提供基本材料數據的能力，再組裝起來，幫助我們完成設計和制造。
　　那么，怎樣才能使這一切成為現實？先，需要與各種仿真/設計軟件公司合作。競爭對手需要協作，確保數字設計可以被納入模型，預測事故的行為，然后轉化為仿真工具預測生產參數，如壓力、時間和溫度。反過來，這將確保一個好的零件沒有過多的孔隙或其他缺陷。這將涉及公共信息交換協議。使這些迥然不同的工具在一個平臺上，如普渡大學發展復合材料設計和制造中心(cdmHUB)是讓所有軟件提供者一起工作的一個主要的步驟。
　　更重要的是讓所有美國制造業“老前輩”購買并開始使用這些軟件工具，尤其是更復雜的，以減少在產品開發過程中的經驗學習。
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