減重是賽車永恒的話題，與之相應的，復合材料的使用越來越廣，要想合理地實現減重，仿真必不可少。筆者將分享基于HyperMesh軟件的復合材料線性靜力學分析與鋪層優化。

使用軟件: HyperWorks14.0

模型文件: 層合板三點彎2維模型

一、賽車與復合材料大學生方程式賽車使用的復合材料通常是三明治夾心結構，以碳纖維層合板為例，上下表層是碳纖維復合材料層，中間是夾芯材料（以泡沫為例），如圖所示：

表層的碳纖維復合材料可以看作正交各向異性材料，中間的夾芯泡沫可以看作各向同性材料。表層碳纖維沿主纖維方向為方向1，鋪層平面內與之垂直的為方向2，鋪層平面的法向為方向3，編織布在方向1和方向2上的力學性能可以看作相同。

二、模型導入與網格劃分

模型如圖所示，采用2維平面模型代替層合板實體模型。

導入模型：雙擊打開HyperMesh→選擇OptiStruct→點擊Import Model→選擇Import Geometry→選擇模型種類CATIA→瀏覽文件夾選擇對應文件→點擊import導入模型。

通過2D的automesh劃分2D網格。

調整網格法向和方向：2D的composites。調整網格法向：element normals→vector display用向量表示→display顯示法向→reverse反轉法向。調整網格方向：material orientation→element選擇網格→system選擇坐標系→size設置顯示向量尺寸→project設置和顯示網格方向。

三、通過HyperLaminate進行復合材料設置

點擊2D的HyperLaminate進入復合材料設置界面，分別在MAT1和和MAT8建立foam和carbonfiber的材料屬性，然后在PCOMP中建立并設置鋪層信息。

給含有網格信息的Component賦予屬性。

通過Analysis中的forces設置載荷信息，通過constraint設置約束條件，并通過loadsteps建立載荷步。

設置載荷信息：forces→選擇節點→輸入每個節點力的大小→選擇力的方向→create。

設置約束信息：新建一個loadcollector并命名為spc→constraint→選擇節點→選擇約束的自由度→create。

建立載荷步：loadsteps→給載荷步命名→SPC選擇剛才的約束→LOAD選擇剛才的力載荷→選擇線性靜力學→create。

設置輸出信息：control cards→GLOBAL_OUTPUT_REQUEST→勾選CFAILURE、CSTRAIN、CSTRESS。

點擊OptiStruct進行求解。

求解結束點擊Results查看結果：Apply→Contour→選擇Composite Failure(s)→Apply。失效指數低于1表示尚未失效，高于1表示已經失效。

四、通過ply+stack進行復合材料鋪層優化

網格信息、材料屬性、力載荷信息、約束信息、載荷步信息與上面的線性靜力學分析中一致。

創建0°碳纖維鋪層：右鍵Create→ply→鋪層命名（以鋪層角度命名）→選擇材料carbonfiber→設置厚度2mm→選擇坐標系→設置鋪層角度0°→選擇網格→Create。同樣的方法設置45°碳纖維鋪層。創建泡沫夾芯鋪層：鋪層命名→選擇材料foam→設置厚度10mm→選擇坐標系→設置鋪層角度180°→選擇網格→Create。

創建復合鋪層：右鍵Create→Laminate→命名design→選擇對稱鋪層Symmetric→依次設置每一層→Create。

創建Property→設置Card Image為PCOMPP→設置FT為TSAI→右鍵該property，Assign將屬性賦予到網格上。設置顯示方式為2D Detailed和Composite Layers。

創建設計變量：Optimization→free size創建一個設計變量desvar1→在composites更新優化后的總厚度范圍。

創建響應：responses→創建質量響應→創建柔度響應。

創建約束：dconstraints→創建質量約束，總質量不高于1kg。

設置輸出信息：FSTOSZ（自由尺寸到尺寸）。

開始自由尺寸優化：OptiStruct。

自由尺寸優化之后，開始設置離散尺寸優化信息。

將優化結果導入并覆蓋現有網格。

編輯新出現的每一層的網格信息，使其滿足我們的形狀制造要求。

對laminate進行重新排序，新排序如下圖，這樣讓鋪層面積大的在層合板中間，鋪層面積小的在外面。

設置所有碳纖維層的制造尺寸為0.2mm，設置泡沫層的制造尺寸為1mm。

刪除原來的鋪層。

刪除原有的優化目標、質量約束、柔度響應。

創建失效指數響應，創建約束失效指數不大于0.5，優化目標創建為最小化質量。

將輸出修改為SZTOSH。然后進行優化。

優化結束后可以通過view.out查看優化過程信息。導入優化結果FEM文件，查看結果，可以得到鋪層信息，同時，測量質量可以看到優化后質量減小。

五、我的公開課-賽車與復合材料

復合材料鋪層優化在單體殼設計中無法發揮太大作用，因為規則對單體殼各部分的鋪層有嚴格的強度要求，不只是需要滿足于賽車的正常駕駛，還要滿足防撞要求。復合材料鋪層優化的作用更多體現在其他不受規則限制的零部件，比如碳纖維輪輞等。