如何預測隨機化複合材料組件的結構性能
全球飛機製造商正日益採用複合材料取代傳統金屬如鋼材與鋁材。複合材料之所以備受青睞，在於其卓越的強度重量比——即強度與自重之比。複合材料不僅是現存最強韌的材質之一，更能實現輕量化與高強度並存，這正是飛機構造的關鍵需求。
讓我們探討一種適用於複雜精細幾何結構（如支架、整流罩及外殼）的高性能複合材料：壓模成型、隨機分布的非連續長纖維（DLF）熱塑性複合材料。此材料的結構特性主要源自纖維增強作用。 透過控制與預測不連續纖維的分布，可提升成型件的結構性能。然而，藉由電腦模擬預測性能並非易事，尤其針對不連續且隨機化的材料系統。
市場對能夠預測不連續與隨機材料未來行為的模型需求極高。格瑞特維 Travis Mease）表示：「從性能與風險降低的角度來看，準確預測纖維取向至關重要。這是決定我們元件尺寸的重要設計參數。格瑞特維 大量格瑞特維 流體模擬能力，以便將纖維取向張量值應用於有限元素（FE）失效分析。」 據他所述，針對 DLF 複合材料零件的此種分析驗證方法，是一種能降低風險的工具，可減少與模具設計及重新評估相關的時間與成本。由於高纖維濃度下流動誘導纖維取向的行為複雜，加上業界不願透過切片與拋光進行光學顯微鏡觀察來破壞性驗證纖維取向，因此 DLF 複合材料的纖維取向預測與驗證工作相當困難。
格瑞特維 GT) 深知評估壓縮成型 DLF 複合材料中纖維取向的重要性。GT 工程師採用了經過修改的 Autodesk Moldflow 程式，並針對各種形狀與幾何結構的 DLF 零件（例如支架、結構組件、整流罩及外殼）的壓縮成型模擬，進行客製化調整以預測纖維取向。隨後，他們將流體模擬所得的纖維取向結果應用於結構有限元素分析，藉此預測 DLF 組件在不同載荷條件下的性能表現。 梅斯（Mease）指出，相較於傳統上使用的通用假設，此流程能針對每個零件產生更精確的結果。他解釋道：「每個零件都有其獨特的材料導入點與幾何形狀，從而形成同樣獨特的流場與纖維取向模式。流場建模越精確，我們對應力與失效預測的信心就越強。」
為驗證結果，GT工程師進一步將模型預測值與實際組件的電腦斷層掃描（CT）分析結果進行比對。經過廣泛測試後，他們發現GT的纖維取向預測與DLF複合材料零件的實驗性CT分析結果在定量與定性層面均高度吻合。 纖維取向與流模塑製程的建模，展現出對壓模成型DLF熱塑性複合零件中纖維取向局部變化與分布的優異預測能力，此特性不受零件尺寸、種類及形狀複雜度影響。更重要的是，這項預測能力意味著零件的損壞起始點與失效模式，皆可透過纖維取向預測進行視覺化解釋。
因此格瑞特維 具備預測零件何時、何地及以何種方式發生故障的能力，並能確保複合材料優化工作順利完成，實現顯著的減重、成本削減及安全餘裕。此外，憑藉這項預測能力，我們無需進行多次反覆測試，格瑞特維 滿足客戶的交期要求。 請聯繫格瑞特維 進一步了解不連續熱塑性解決方案如何承受您應用場景中的機械負荷。