关键词: 模拟仿真；连续纤维；热塑性复合材料；
在航空航天、新能源汽车等高端制造领域，材料的轻量化与高性能是永恒的追求。连续纤维热塑性复合材料（CFRTP）**凭借其优异的力学性能、可回收性以及短周期成型优势，正成为行业的新宠。然而，其复杂的成型工艺常导致褶皱、纤维断裂等缺陷，传统“试错法”研发成本高昂。如何通过仿真技术破解这一难题？本文将带你一探究竟。
一、仿真技术：从“试错”到“精准预测”的跨越
CFRTP的制造过程涉及纤维铺覆、热压成型等多个环节，温度、压力、纤维排列等变量交织，稍有不慎便会影响最终性能。过去，企业依赖反复试验来优化工艺，耗时耗资。如今，仿真模拟技术的介入，让工程师能在虚拟环境中预演成型过程，精准预测缺陷，大幅降低研发成本。
目前，CFRTP成型仿真主要分为两类方法：运动学法与力学法。前者以“几何投影”为核心，计算高效；后者则基于材料力学特性，模拟更贴近现实。
二、运动学法：快速但理想化的“几何游戏”
如果把纤维织物想象成一张渔网，运动学法的核心就是如何将这张网“铺”在复杂曲面上。研究者通过几何投影，将二维平面映射到三维模具表面，忽略材料摩擦和变形细节，快速预测纤维走向。例如：
· 测地线投影：假设纤维沿曲面最短路径（测地线）分布，适用于简单曲面。
单胞模型：将织物简化为刚性桁架网络，通过拉伸试验获取参数，模拟剪切变形。
图1 Sharma单胞模型[1]
优势：计算速度快，适合早期设计阶段的粗略评估。
局限：未考虑力学行为，无法预测弹性变形或摩擦影响，精度有限。
三、力学法：高精度的“虚拟实验室”
力学法通过有限元分析，将材料力学特性与成型过程耦合，可细分为三类：
1. 连续法：宏观尺度的“均质化”模拟
假设材料为均质连续体，类似金属成型仿真。
早期模型：仅考虑面内剪切，忽略纤维刚度，精度不足。
进阶版本：引入温度场、粘弹性模型，甚至弯曲刚度，可预测褶皱形成（图2）。
适用场景：优势：计算速度快，适合早期设计阶段的粗略评估。
局限：未考虑力学行为，无法预测弹性变形或摩擦影响，精度有限。结构分析，计算成本较低。
图2 不同温度和不同冲头速率下圆柱体成型的模拟[1]
2. 离散法：微观尺度的“纤维级”还原
将每根纤维视为独立单元，模拟纱线滑移、摩擦等细节。
棋盘模型：用桁架单元模拟纤维网络，捕捉剪切角变化（图3）。
多尺度模型：结合宏观与微观，预测剪切应力与速率的关系。
优势：精度高，可分析细观缺陷。
局限：计算量巨大，仅适合小规模分析。
图3 棋盘模型(单胞)[1]
3. 半离散法：平衡效率与精度的“折中方案”
仅保留关键力学参数（如拉伸、剪切刚度），通过特定单元传递到宏观模型。
改良单元：引入弯曲刚度，分析褶皱发展。
热力耦合：考虑温度对层间剪切的影响，仿真结果与实验高度吻合。
适用场景：兼顾效率与精度的复杂成型模拟。
图4层合板黏弹性模型[1]
四、挑战与未来：国产仿真技术路在何方？
尽管CFRTP仿真技术已取得长足进步，仍面临三大瓶颈：
1.多物理场耦合不足：缺乏系统的流固热耦合模型，难以全面模拟温度、树脂流动与纤维变形的相互作用。
2.跨尺度建模难题：微观缺陷如何影响宏观性能？多尺度模型开发仍是国际难题。
3.产业化应用滞后：国内研究多停留在实验室，需结合工业需求开发通用仿真平台。
未来，随着人工智能与高性能计算的发展，“仿真驱动制造”或将成为主流。通过机器学习优化工艺参数，结合数字孪生技术实现全生命周期管控，CFRTP的大规模高效生产指日可待。
结语
从“试错”到“仿真”，CFRTP的制造革命背后，是计算科学与材料工程的深度融合。对于中国制造业而言，突破仿真技术“卡脖子”环节，不仅是抢占新材料高地的关键，更是实现高端装备自主创新的必由之路。或许在不远的未来，每一件CFRTP产品都将诞生于虚拟世界，再完美复刻到现实之中。
[1]毛晋轩,刘东,史鹏程,等.连续纤维热塑性复合材料热成型仿真研究[J].宇航材料工艺,2022,52(04):21-26.
