SYSPLY——复合材料设计、分析及优化软件.doc

SYSPLY 复合材料设计 分析及优化软件复合材料设计 分析及优化软件 北京 ESI ATE 科技有限公司 2010 年 7 月 1 目目 录录 1 前言前言 2 2 ESI 集团复合材料虚拟解决方案集团复合材料虚拟解决方案 2 3 SYSPLY 复合材料设计 分析专业软件复合材料设计 分析专业软件 4 3 1 SYSPLY 的市场定位 5 3 2 SYSPLY 求解器处理的问题 5 3 3SYSPLY 的分析流程 6 3 4SYSPLY 的显著优势 7 3 5SYSPLY 的行业应用及成功案例 11 3 6SYSPLY 的国内主要用户 14 4软件性能指标软件性能指标 15 5同行业软同行业软件件对比对比 15 6SYSPLY 的模块信息的模块信息 17 7SYSPLY 支持的平台支持的平台 17 2 1 前言前言 ESI 集团是世界领先的数值仿真软件供应商 其产品主要应用在 通过材料物理的虚拟原型和制造工艺仿真 ESI 集团联合众多学术团 体和企业开发出了一系列连贯的面向实际工程的应用程序 以实现对 产品测试的实际仿真 与产品性能协同的工艺参数微调以及评价产品 在使用环境中的表现 通过越来越多的减少试验样机的数量 显著的降低成本和缩短开 发周期 虚拟试验空间 VTOS 解决方案提供了卓越的竞争力优势 通过与全球 700 名高级专家的协作 ESI 及其全球代理网络为超 过 30 个国家的用户提供了软件销售和技术支持服务 ESI 的发展基于连续不断的锐意创新 被法国国家研究代理处 ANVARA 评选为 创新公司 2 ESI 集团复合材料虚拟解决方案集团复合材料虚拟解决方案 ESI 集团作为虚拟试验测试的先锋 能够提供一套覆盖整个复合材料 流程的虚拟解决方案 它包括设计和生产领域的复合材料结构动态模拟 其中 SYSPLY 是 ESI 集团复合材料解决方案中非常重要的环节 它完全集 成的虚拟试验空间 VTOS 覆盖在复合材料价值链的所有步骤 利用 它 工程师能够评估并调整复合材料部件的制造 从 SYSPLY 用于设计模 拟 PAM RTM 进行树脂注射模拟 SYSPLY和PAMRTM是复合材料全面解决方案中的一个环节 3 测试测试测试测试 制造制造制造制造 使用使用使用使用 ESI 是全世界唯一能够提供这种复合材料虚拟设计和虚拟制造完整 体系的虚拟工程技术公司 如下图 1 所示 ESI 是法国达索系统公司 的全球战略合作伙伴 如图 2 所示 因此 ESI 正在将其产品集成到 CATIA V5 环境 例如基于 CATIA V5 的复合材料树脂注塑成型仿真软 件 PAM RTM 4 3 SYSPLY 复合材料设计 分析专业软件复合材料设计 分析专业软件 SYSPLY 是设计 分析和优化复合材料结构的专业软件 SYSPLY 可以帮助工程师通过静动力分析设计和验证复合材料部件 SYSPLY 可以帮助企业加速设计流程 并通过减少材料浪费和样机测 试数目来达到降低成本的目的 复合材料结构特性的评估必须要考虑材料的多样性 包括增强塑 料 玻璃聚酯 碳环氧 蜂窝或蜂窝芯材夹层 碳 碳复合材料等 以及它们的原始力学性能 不均匀性和各向异性 SYSPLY 提供的 综合材料数据库为各种三维结构铺层材料定义带来极大的便利 而它 独特的组合功能为工程师进行快速设计评估和研究带来很大的竞争优 势 SYSPLY 交互计算任何大量叠层的总体等效机械属性 及用应力 叠层失效和动态特性验证复合材料部件的设计 5 3 1 SYSPLY 的市场定位 SYSPLY 是唯一一个专门用于复合材料结构设计和分析的工业有 限元软件 涵盖了整个复合材料流程链的各个步骤 3 2 SYSPLY 求解器处理的问题求解器处理的问题 SYSPLY 求解器提供广泛地处理能力 它能够解决线性力学问题 非线性力学问题和动力学问题 SYSPLY 解决的线性力学问题主要是静力学问题 热力学问题 如 回弹分析 屈曲分析以及热力耦合问题 SYSPLY 解决的非线性力学问题主要是针对梁和壳单元的大位移问 题 以及结构的连接接触问题 如铆接等 从几何建模开始 SYSPLY 使得工程师能对复 合材料零件进行快速设计和 评估 而 SYSPLY 的材料 数据库和铺层编辑器通过对 层板堆叠和等效力学性能的 图形化显示使得建模更容易 SYSPLY 提供了一种专门命 令语言 SIL 可以对一 些特定的应用提供自动化和 加速数据管理 将加载条件 和 SYSPLY 自动求解器紧 密结合 进行最终校核所需 的各种相关分析 6 SYSPLY 解决的动力学问题主要是特征模态分析 谐响应分析及模 态分析 SYSPLYSYSPLYSYSPLY 线性分析线性分析 热应力热应力 机械应力机械应力 非线性分析非线性分析 大变形大变形 接触接触 第一失效第一失效 层层 动力学分析动力学分析 特征模式特征模式 模态分析模态分析 频率响应频率响应 3 3 SYSPLY 的分析流程的分析流程 SYSPLY 是一个完整的软件包 从几何建模划分网格 到提交分 析和后处理结果显示 都可以在一个界面下完成 利用 SYSPLY 做 复合材料结构设计分析的基本流程如下所示 修改 设计 修改 材料 复合材料结构或CAD造型 建立模型 及划分网格 建立复合材料数据库 后置处理显示 分析结果 加载材料 载荷约束 优化材料和铺层 满足设计 否 提交 分析 7 3 4 SYSPLY 的显著优势的显著优势 1 CAD 数据输入数据输入 输出和网格划分能力输出和网格划分能力 SYSPLY 内嵌的网格划分器能自动读入外部的 CAD 数据 并进行 快速的几何清理和几何修复 能自动生成二维和三维网格 并以 ASCII 格式输出 可以对节点和单元进行分组 称为 sub groups 边界条件和 载荷条件可以定义在这些 sub groups 上 以后的计算变成网格无关 可 以在同一个有限元输入中反复使用 2 复合材料材料数据库管理器 复合材料材料数据库管理器 SYSPLY 采用了一个用于定义铺层特性的广泛的复合材料数据库 结合用户友好的操作过程和先进的可视化特性 这个材料数据库管理器 大大简化了对复核材料的描述和操作 可以显示每个插入的层的方向和 厚度 复合材料数据库管理器提供 与外部数据库的交流 连续性方程可以由铺层编辑器计算得到或直接 从外部数据源输入 基于微观力学原理的预定义均匀化程序可以计算纤维 基体等效特性 仅对单向层 Hasin Mixture Relation Halpin Tsai 关于膜 完全和扭转的等效正交各向异性材料属性 极曲线 的图形显 示 交互的铺层编辑器用于铺层特性的定义 3 铺层编辑器 铺层编辑器 铺层编辑器通过一个等效力 学特性的连续显示来生成一个图 形化的铺层布置序列 铺层是通 过单层板或子铺层来建立 没有 层数限制 单层板的详细信息可 以马上检查 而层板在某一点的 堆叠可以通过横截面来显示 4 建模及单元形式 建模及单元形式 8 广泛可用的单元 梁 壳 三维实体 能够让用户在设计过程的每 一步都采用最合适的方法 用户自动利用一系列专门单元 例如壳类型单元模拟薄或厚区域 对特殊计算 材料属性可以分配给实体单元 可以连同壳单元一起使用 当计算横向剪切应力时 所有相关耦合效应都包括在内 多层三维单元 3D单元 5 复合材料库 复合材料库 可以很方便地建立层压和夹层 结构 将他们组合成复杂的材料 并将它们储存在通用的或专门的数 据库中供后续使用 单层板 厚度 纤维方向 等效弹性模量 剪切模量 Y ma t X m at 6 专门的前处理 专门的前处理 SYSPLY 简化了材料和几何的关联 通过包含自动铺层和卷绕选项 来集成加工过程 在结构上层板的方向与铺层方向解耦 两者都可以在壳单元上用 图形显示 铺层的方向与网格关联的方向解耦 其物理方向可以用交互命令 给出以复现加工过程 几何只是用来铺层定位 9 加工加工 层板操作显示 内 外面的比例偏 置 7 材料 材料敏感性分析敏感性分析 材料敏感性模块 所有涉及层板定义 的参数 铺层材料 增强类型 铺层厚度 层数 单层参考系的铺层角 通过合并参数自动产生一组构型 为 进行说明 设计者选择任何参数按一 铺设铺设 基本铺设 纤维缠绕等 基于几何的高级铺设 10 定结果绘图或在构型空间导航来验证优化解 用 SYSPLY 用户能够轻松访问参数化功能来进行预先设计研究 典型工程师优化复合材料设计的需要 9 后处理 后处理 SYSPLY 的多物理场后处理 能力为深入了解铺层的力学特性 提供了方便 通过膜 弯曲和扭 转模块可以研究特定的载荷条件 多重失效准则法能提供各个连续 层的等效应力值 通过显示沿厚 度方向的应力值 设计人员可以 快速找到危险区域 然后可以得 到每一层的临界失效结果 10 失效评估 失效评估 对所有单元类型的所有组件的最大应力准则 壳 实体单元带用户自定义项的通用二次准则 Tsai Wu Tsai Hill Hoffman Hashin 依赖张 压响应的通用一次准则 8 求解器求解功能 求解器求解功能 SYSPLY 提供广泛的单元种类使得用户可以在设计过程的每个阶段采 用恰当的方法 多层二维和三维单元 包含各种耦合效应的横向剪应力计算 二维和三维单元网格组合 SYSPLY 输出可以在不同的坐标系下进行 总体 局部 材料和层板 SYSPLY 进行下列分析 动力学分析 特征模态 谐响应 模态分析 非线性力学 仅壳 针对梁和壳单元的大位移 接触 线性力学 壳和实体 静力学 热力学 屈曲 11 用于识别壳单元临界失效的多重准则方法 Hashin 判据可用于区分基 体和纤维失效模式 所有准则以安全系数化 归一化 而非指数 为便于理解 可以进行理 论比较 二次对最大应力 Tsai 对 Hashin 通过层压板 对应的层 对任意点任意判据的临界值 可以用一个单条 纹图对结构完整性进行快速评估 应力 应变和恢复判据应力 应变和恢复判据 按缺省 壳单元按每各层板的上下面计算结果处理能力 可以提供不同参考系统下的输出结果 总体 局部 材料 层 对层压板 结果的数目按需设置 按 ply orthotropy frame laminate frame 和 element frame 显示应力和 应变 应力 判据和临界层板数可以用条纹图 曲线图显示 11 优化铺层和材料优化铺层和材料 SYSPLY 包含一个专门对复合材料铺层和材料进行优化的模块 OPT 通过使用 OPT 可以优化铺层的厚度 层数 从而优化重量 通过使用 OPT 可以优化铺层的纤维方向 通过使用 OPT 可以优化材料的力学性能 从而实现选择材料的作用 3 5 SYSPLY 的行业应用及成功案例的行业应用及成功案例 SYSPLY 是设计 分析和优化复合材料结构的专业软件 它覆盖了 广泛的工程应用 复合材料提供强大的机械性能同时又减轻了结构重量 然而 复合材料的设计和加工的高成本和复杂性却常常抵消了使用这些 材料带来的好处 使用 SYSPLY 工程师可以在复合材料进行复杂加工 之前很方便地计算其铺层特性 诸如纤维缠绕 铺层等 SYSPLY 帮助 工程师优化结构 并对紧迫的制造过程利用复合材料的优势 12 汽车工业汽车工业 复合材料被大型汽车制造商 Grand 引入高技术运动汽车和 F1 赛 车 SYSPLY 让用户用它更轻松和 快速产生简化模型 能开发更准确的 基于叠层的模型并进行优化 使 F1 赛车降低 25 的重量 同时增加 40 的强度 航空航空 航天航天 在投资昂贵的制造工 具前 利用 SYSPLY 飞 机 航天工程师能更好考查 大型复合材料结构的机械 性能 造船造船 通常是小规模制造的造船 业现在更多地依赖数字模拟进 行复合材料设计 SYSPLY 缩短设计周期并对减少材料浪 费做出共享 由 Prost Grand Prix 授 权 由 Luca Olivari 授权 宝马 BMW 公司利用SYSPLY对汽车结构优化 生产出新概念复合材料 跑车座椅 成功地减轻了重量 并提高了舒适度 13 SYSPLY帮助意大利Luca Olivari公司设计出高性能的高速列车驾驶室 SYSPLY 使DDE公司设计的巡航舰通风筒节省 75 的重量 SYSPLY 使DDE公司设计的双体船Carondimonio 号在Como lake比赛中获 胜 由 Luca Olivari 授权 14 D D E 公司授权 瑞士TORAY Ind公司 利用SYSPLY设计高尔夫球杆 3 6 SYSPLY 的国内主要用户的国内主要用户 成飞公司 哈飞公司 西飞公司 611所 603所 北航 38所 621所 625所 15 4 软件性能指标软件性能指标 SYSPLY对硬件环境要求不高 使用Pentium 600 128M内存以上的 基本没问题 操作系统需求Windows NT4 2000 XP UNIX 工作站 HP Compaq IBM SGI SUN windows版需要视频插件Exceed6 2以上版 本 1 SYSPLY做线性静力学分析 如在线性载荷或热载荷下的结构刚度 强度分析 非常准确 其误差基本能控制在3 以内 这要比 MSC Nastran 或ANASYS误差水平稍微好一些 2 SYSPLY热和力耦合分析的误差能控制在8 以内 回弹分析误差可 以控制在6 以内 而MSC Nastran 或ANASYS不能做热和力耦合的分析 3 SYSPLY处理各种连接的非线性分析 如接触连接 螺栓连接 铰 接等 和胶粘连接在静力载荷 温度载荷 瞬态载荷或耦合载荷下的失 效分析等 其误差可以控制在10 以内 MSC Nastran 或ANASYS也不 能做这方面的分析 4 处理准确的计算各向同性材料与各向异性材料的连接 可以分析在 热和力及耦合载荷下连接的失效分析 其误差可以控制在10 以内 5 SYSPLY可以处理梁和板单元的大变形问题 可以十分准确计算结 构的特征模态 SYSPLY这样的专用分析和评估软件主要应用在各场所的结构设计部 门和强度校核部门 经过SYSPLY分析设计的结构在实验验证后 能达到 90 以上的结构有效性 5 同行业软件对比同行业软件对比 SYSPLY 提供广泛可用的单元 1D 2D 3D 单元 和广泛地处理 能力 它能够解决广泛的梁 板 实体结构的线性力学问题 非线性力 学问题和动力学问题 它能处理普通的静力学 热力学问题 也能处理 热力耦合效应下的结构分析 它能做回弹分析 能处理构件间的接触连 接问题 以及模态分析等 其与复合材料结构分析软件 MSC Nastran 和 ANASYS 的对比 1 SYSPLY是一个专门做复合材料设计分析优化的工程软件 MSC Nastran 和ANASYS是大型通用软件 复合合材料分析只是其中的 一个模块 由于集成了专业经验和专用的界面 SYSPLY易学易用 比 NASTRAN更适合结构设计部门使用 SYSPLY材料模型要比 MSC Nastran 和ANASYS丰富 而且MSC Nastran 和ANASYS不能做铺 层设计 2 SYSPLY相对同等软件如MSC Nastran 和ANASYS在复合材料 设计 分析上的优点有以下几点 16 1 SYSPLY提供的最最丰富的接口 不光能将直接 或间接 通过 VISUALMESH 处理各种类型的CAD图形及网格文件 也能读取 PAM FORM QUICK FORM等成型模拟软件和FIBERSIM CPD 等铺层设计软件的结果文件 2 计算准确 SYSPLY是一个专业的复合材料分析软件 其铺层设 计功能使他相对同类软件具有先天优势 它提供最丰富失效判 据 为用户分析结果提供全方位的对比参考 国外的广大用户 反馈的信息证明SYSPLY具有非常高的准确性 3 SYSPLY能处理广泛的单元类型 包括 单元 同类软件只能处理 单元 Nastran和ANASYS处理 实 体单元是在厚度方向上划分一个单元 而SYSPLY厚度方向上可 以划分多个体单元 4 方便且强大的前后处理能力 SYSPLY可以在多个参考系下显示 结果 包括总体 局部 材料 层 可以沿厚度方向显示每 层的力学特性 可以以云图 曲线 表格等显示结果 5 SYSPLY提供多物理场的耦合处理能力 包括重力场 热力场 加速度场等 6 SYSPLY可以做复合材料热和力的耦合问题和回弹分析 同类软 件不能做 7 SYSPLY可以比较准确的模态分析 具体归纳如下 具体归纳如下 SYSPLY 与通用有限元软件功能对比与通用有限元软件功能对比 项目项目通用有限元通用有限元SYSPLY 材料设计材料设计否否是是 自建材料库自建材料库否否是是 铺层设计是是 静力学分析是是 热力学分析是是 非线性分析是是 疲劳分析疲劳分析否否是是 模态分析是是 热膨胀分析是是 热传递分析热传递分析否否是是 热力耦合膨胀学析是是 热力耦合传递分析热力耦合传递分析否否是是 SOLID 单元分析单元分析否否是是 SHELL 单元分析是是 BAR 单元分析否否是是 多种单元的耦合分析多种单元的耦合分析否否是是 接触分析是是 屈曲分析是是 宜用性宜用性一般一般较好较好 计算速度计算速度一般一般较好较好 17 与与 FIBERSIM 接口接口否否是是 6 SYSPLY 的模块信息的模块信息 SYSPLY 2009 的模块信息 VTS E 01 2009Visual Core 1 基本内核 VTS E 02 2009Visual MESH面网格 VTS E 25 2009UG translatorUG 接口 SPY E 100 2009Interactive core 交互式操作核心模块 用于在图形界面下接受用户输入参 数 并将软件的运行结果反馈给用户 SPY E 101 2009Geometry Mesh tools几何网格划分工具 SPY E 102 2009Pre Post processors前 后处理器 SPY E 02 2009Beams梁单元模型 用于计算各种梁结构 SPY S 100 2009Batch core 工作台式操作批处理核心模块 用于在工作台界面下接 受用户的输入参数 并将软件的运行结果反馈给用户 SPY S 01 2009Linear Statics 线性静力学计算模块 用于计算线性的静力学问题 如 应力 应变 变形 SPY S 02 2009Linear Dynamics 线性动力学计算模块 用于计算线性的动力学问题 如 固有频率 响应 SPY S 07 2009 Advanced Drapping Module 2 高级辅设模块 用于定义构件的层合板辅设方向 SPY S 03 2009Advanced Dynamics非线性动力学分析模块 SPY S 06 2009Non Linear Contacts非线性接触分析基础模块 SPY S 16 2009Mesh Cutter3 维网格划分 SPY S 17 2009Shape distortion回弹变形及残余应力计算 OPT S 01 2009 PAM OPT Solver优化求解器 OPT E 01 2009PAM OPT Editor优化前处理器 VTS E 12 2009 Visual VIEWER for PAM OPT applications 优化后处理器 7SYSPLY 支持的平台支持的平台 Windows NT4 2000 XP UNIX 工作站 HP Compaq IBM SGI SUN SYSPLY Identification Platforms Operating System Requested tested Required Graphic Libraries accepted Graphic Drivers Printer Format Fortran Version C Version 18 irix SGI Standard 32 bits IRIX 6 3 IRIX64 6 5 X11 R6 Motif 1 2 4 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF F77 7 2 1 7 2 1 irixsp SGI Optimised 64 bits IRIX64 6 5 X11 R6 Motif 1 2 4 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF F77 7 3 1 3m 7 3 1 3m irixmp SGI Multi Processors SMP 64 bits IRIX64 6 5 F77 7 3 1 3m 7 3 1 3m hpux HP Standard 32 bits HPUX 10 20 HPUX 11 11 X11 R6 Motif 1 2 4 Starbase OpenGL B10 20 03 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF F77 B10 20 02 B10 20 02 hpuxsp HP Optimised 64 bits HPUX 11 11 X11 R6 Motif 2 4 OpenGL B11 00 06 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF F90 B11 01 42 B11 11 04 hpuxmp HP Multi Processors SMP 64 bits HPUX 11 11 F90 B11 01 42 A11 11 04 axposf COMPAQ Standard 32 bits OSF1 4 0 f Tru64 5 0 X11 R6 Motif 1 2 4 Open3D 4 96 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF F77 5 4A 6 4 axposp COMPAQ Optimised 64 bits Tru64 5 0 Tru64 5 1 X11 R6 Motif 1 2 4 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF F77 5 4A 6 4 axpomp COMPAQ Multi Processors SMP 64 bits Tru64 5 0 Tru64 5 1 F77 5 4A 6 4 sunos SUN Standard 32 bits Solaris 2 6 Solaris 2 8 X11 R6 Motif 1 2 6 OpenGL 1 1 1 XGL 3 0 X11 XGL OpenGL Postscript HPGL TIFF F77 3 0 1 3 0 1 sunsp SUN Optimised 64 bits Solaris 2 8 X11 R6 Motif 1 2 OpenGL 1 2 X11 XGL OpenGL Postscript HPGL TIFF F90 6 1 5 2 19 sunmp SUN Multi procs SMP 64 bits Solaris 2 8 F90 6 1 5 2 aix IBM rs6000 Standard 32 bits 4 1 5 4 3 X11 R5 Motif 1 2 4 OpenGL 1 1 1 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF xlf 3 2 5 3 1 4 aixsp IBM rs6000 Optimised 64 bits 5 1 X11 R6 Motif 2 1 OpenGL 1 2 1 X11 OpenGL Postscript HPGL TIFF xlf 7 0 1 XLC 5 0 2 ai