复合层压板由不同材料的粘结层组成，因其卓越的强度与重量比和定制机械性能，在航空航天、汽车和造船等行业得到了广泛应用。由于纤维方向不同导致材料的强度和性能不同，在设计分析和优化复合层合板时，人们需要通过重复的数值模拟来探索不同的层材料和堆叠顺序。

（图片来源：釜山国立大学）

对于此类模拟，研究人员通常使用基于三维（3D）弹性理论的有限元（FE）分析。然而，复合层压板具有较大的自由度（DOF），使得3D FE分析消耗资源多、耗时长，难以实现重复模拟。因此，这需要一种与FE分析一样准确，同时更快、更灵活的数值技术。

据外媒报道，为了解决这些问题，釜山国立大学（Pusan National University）的研究人员开发出创新的“乐高式”复合层压板构造和分析方法。

航空航天工程系教授Kyunghoon Lee表示：“受子结构和降阶建模（ROM）技术的启发，我们开发了一种两阶段离线-在线框架（使用基于组件的ROM）。这种技术就像乐高积木一样，使我们可以随时改变层材料（包括纤维角度、层数和堆叠顺序）以实时构建复合层压板，从而实现快速而准确的模拟。”

在基于组件的ROM中，复杂的系统被分解为更简单的子系统，分别使用ROM进行单独分析。这种ROM技术涉及开发具有较低DOF的简化模型。为了实现这一目标，研究人员结合静凝聚（SC）、端口缩减（port reduction，PR）和简化基元（reduced basis element，RBE）方法，从而形成PR-SC和PR-SCRBE分析方法。

SC方法将复合层压材料的每一层视为一个组件，可以根据需要以任意顺序堆叠不同数量的层。接下来，PR方法减少了层连接边界的DOF，从而加速求解过程。最后，RBE方法可以快速准确地评估层域内（intradomain）解决方案以了解层材料变化。

该技术分两个阶段进行操作，包括离线阶段和在线阶段。在离线阶段，通过编制复合层库来参数化表示各种层材料和纤维角度。至于在线阶段，通过设置层材料、纤维角度和堆叠顺序来按需构建复合层压板。然后使用PR-SC方法来分析所构造的层压板，如果需要计算效率高于准确性，则使用PR-SCRBE方法来分析。

研究人员通过三点弯曲测试和拉伸测试演示了该技术，以评估PR-SC和PR-SCRBE方法的准确性和效率。针对每个示例，他们使用了三种不同的复合层压板。

结果表明，与FE分析相比，PR-SC分析提高了速度，同时精度损失可以忽略不计。另一方面，PR-SCRBE表现出适度的精度损失，但速度大幅提升。研究人员建议，根据需要可以使用PR-SC来提高准确性，以及使用PR-SCRBE来提高效率。“利用所提出的复合材料虚拟测试技术，研究人员可以确定最佳设计，同时充分降低时间和材料成本。该技术为各个领域提供了巨大的潜在优势，例如，采用更好的复合材料，可以制造出更轻、更坚固的飞机和汽车，并提高燃油经济性，减少污染。”

Lee教授强调这项技术的潜在应用。“此外，能源行业可以利用这项技术来开发资产数字孪生，从而实现实时监控并明显降低维护成本。”

总体而言，这种创新技术为重复分析复合层压板提供了可行替代方案，以取代繁琐的3D FE分析技术。