1、SYSPLY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 录1. 前言 .22. ESI 集团复合材料虚拟解决方案 23. SYSPLY 复合材料设计、分析专业软件 .43.1. SYSPLY 的市场定位 .53.2 SYSPLY 求解器处理的问题 .53.3 SYSPLY 的分析流程 .63.4 SYSPLY 的显著优势 .73.5 SYSPLY 的行业应用及成功案例 .113.6 SYSPLY 的国内主要用户 .144 软件性能指标 .155 同行业软 件对比 .156 SYSPLY 的模块信息 177 SYSPLY 支持的平台 1721. 前言E
2、SI 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.
3、ESI 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 制造制造 . 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（
4、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。43. SYSPLY 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
5、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。53.1. 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
6、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。6SYSPLY 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。SYS
7、PLY线性分析热应力 机械应力非线性分析大变形 接触第一失效层动力学分析特征模式模态分析频率响应 3.3 SYSPLY 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73.4 SYSPLY 的显著优势1、CAD 数据输入/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
8、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
9、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
10、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-mat X-mat6、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加工层板
11、操作显示内/外面的比例偏置7、材料敏感性分析 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：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
12、，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 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）
13、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
14、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 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
15、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，SYS
16、PLY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。13SYSPLY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14D.D.E.公司授权瑞士TORAY Ind公司，利用SYSPLY设计高尔夫球杆
17、3.6 SYSPLY 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。154 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。
18、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。SYS
19、PLY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.Na
20、stran 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：161) 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
21、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
22、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：SYSPLY 与通用有限元软件功能对比项目 通用有限元 SYSPLY材料设计 否 是自建材料库 否 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 否 是模态分析 是 是热膨胀分析 是 是热传递分析 否 是热力耦合膨胀学析 是 是热力耦合传递分析 否 是SOLID 单元分析 否 是SHELL 单元分析 是 是BAR
23、单元分析 否 是多种单元的耦合分析 否 是接触分析 是 是屈曲分析 是 是宜用性 一般 较好计算速度 一般 较好17与 FIBERSIM 接口 否 是6 SYSPLY 的模块信息SYSPLY 2009 的模块信息VTS-E-01-2009 Visual Core(1) 基本内核VTS-E-02-2009 Visual -MESH 面网格VTS-E-25-2009 UG translator UG 接口SPY-E-100-2009 Interactive 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-101-2009 Geometry/M
24、esh tools 几何网格划分工具SPY-E-102-2009 Pre-Post processors 前、后处理器SPY-E-02-2009 Beams 梁单元模型，用于计算各种梁结构SPY-S-100-2009 Batch 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-01-2009 Linear 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-02-2009 Linear 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-07-20
25、09 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-03-2009 Advanced Dynamics 非线性动力学分析模块SPY-S-06-2009 Non Linear Contacts 非线性接触分析基础模块SPY-S-16-2009 Mesh Cutter 3 维网格划分SPY-S-17-2009 Shape 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-01-2009 PAM-OPT Editor 优化前处理器VTS-E-12-2009 Vis
26、ual-VIEWER for PAM-OPT applications 优化后处理器7 SYSPLY 支持的平台Windows (NT4, 2000, XP)UNIX 工作站：HP/Compaq, IBM, SGI, SUN.SYSPLYIdentification Platforms*OperatingSystemRequested(tested)RequiredGraphicLibraries(accepted)GraphicDriversPrinterFormat FortranVersion CVersion18irixSGIStandard32 bitsIRIX-6.3 (IRIX6
27、4-6.5) X11 R6 Motif 1.2.4X11OpenGLPostscriptHPGLTIFFF777.2.17.2.1irixspSGI Optimised 64 bitsIRIX64-6.5 X11 R6 Motif 1.2.4 X11OpenGL PostscriptHPGLTIFFF777.3.1.3m7.3.1.3mirixmpSGI Multi Processors SMP 64 bitsIRIX64-6.5 F777.3.1.3m7.3.1.3mhpuxHP Standard 32 bitsHPUX-10.20(HPUX-11.11)X11 R6 Motif 1.2.4
28、 (Starbase) OpenGL B10.20.03X11OpenGLPostscriptHPGLTIFFF77B10.20.02 B10.20.02hpuxspHP Optimised 64 bitsHPUX-11.11X11 R6 Motif 2.4 OpenGL B11.00.06X11OpenGL PostscriptHPGLTIFFF90B11.01.42 B11.11.04hpuxmpHP Multi Processors SMP 64 bitsHPUX-11.11 F90B11.01.42 A11.11.04axposfCOMPAQ Standard 32 bitsOSF1-
29、4.0.f (Tru64-5.0)X11 R6 Motif 1.2.4(Open3D 4.96)X11OpenGLPostscriptHPGLTIFFF775.4A 6.4axpospCOMPAQ Optimised 64 bitsTru64-5.0 (Tru64-5.1)X11 R6 Motif 1.2.4X11OpenGLPostscriptHPGLTIFFF775.4A 6.4axpompCOMPAQ Multi Processors SMP 64 bitsTru64-5.0 (Tru64-5.1) F775.4A 6.4sunosSUN Standard 32 bitsSolaris
30、2.6 (Solaris 2.8)X11 R6 Motif 1.2.6(OpenGL 1.1.1) XGL 3.0X11XGLOpenGLPostscriptHPGLTIFFF773.0.1 3.0.1sunspSUN Optimised 64 bitsSolaris 2.8X11 R6 Motif 1.2(OpenGL 1.2)X11XGLOpenGLPostscriptHPGLTIFFF906.1 5.219sunmpSUN Multi procs SMP 64 bitsSolaris 2.8 F906.15.2aixIBM rs6000 Standard 32 bits4.1.5(4.3
31、)X11 R5 Motif 1.2.4(OpenGL 1.1.1)X11OpenGLPostscriptHPGLTIFFxlf3.2.5 3.1.4aixspIBM rs6000Optimised 64 bits5.1X11 R6 Motif 2.1OpenGL 1.2.1 X11OpenGLPostscriptHPGLTIFFxlf7.0.1XLC5.0.2aixmpBM rs6000Multi Procs SMP 64 bits5.1 xlf7.0.1xlc5.0.2Win32x86 PC Intel 32 bitsWindows NT4 SP5Tested Windows 2000Hum
32、mingbird Exceed and Exceed 3D 6.2 (minimum)X11PostscriptHPGLTIFFVisual Fortran 6.0Visual C+ 6.0* 32 bits : 内存寻址能力为 32 bits64 bits : 内存寻址能力为 64 bits8 实例介绍油罐分析说明这个例子展示了获得储油罐有限元分析的步骤。这个罐是受到内部压强和沿厚度方向分布的热梯度作用的容器。这里研究的是热力学情形。我们关注的是两个载荷组合引起的罐的变形形状。结构的几何尺寸描述如下：20Part 及它的复合材料、载荷都是对称的。输入数据文件是：材料性能本例突出 SYSPLY
33、 的性能以创建和分析复合层合板 s，这意味着层合板 s被子层合板 s 所搁置。21子层合板 s 是：最终的层合板是：总厚度为 26.6mm。22材料覆盖步骤必须实施下面步骤以便获得覆盖/缠绕操作并且赋予复合材料。1 壳法向轴的确认232壳法向轴的再定位3层合板的配置及偏移的定义4材料 X-Mat 轴的配置边界条件储油罐在以下方面表现出对称性：仅可以考虑罐的上面 part 的对称及模型。对称条件足以使得结构稳定。24X-Mat 方向覆盖显示对称载荷及内部压力载荷显示载荷两个载荷：25 罐内面的单元压强为 P=1Mpa 厚度上的热梯度为 200 度结果按照组合载荷后处理。为了显示二次规范，不要采用 GUI 中的载荷合并。在本例中应用的线性关系对于这种规范计算无效。在重新求解相之后有必要仔细检查语言进程控制的中间阶段。定义线性组合的信息按下面格式给出：其中 Ci 是作用在载荷 ni 上的乘数因子。结果组合载荷引起的 part 变形结构上的最大 Tsai-Wu 准则系数：对于每个载荷，最大 Tsai-Wu 规范比门槛值 1 低。对于组合载荷，Tsai-Wu 规范大于 1，这意味着临界面积必须被增强： 添加增强体，提高层的厚度，优化纤维取向等等26输入数据文件272829
