复合材料的契机

有了复合材料学里更可靠的模拟选择和进展，航空业以越来越快的速度将复合材料纳入飞机的设计里。波音787和空客A350超过50％的部分由复合材料结构组成。虽然复合材料在飞机上的这种广泛应用是最近的发展，在过去的几十年里碳纤维已被用于一些主要的结构，如尾部和非主要结构货舱。

权衡问题

考虑到所有这些因素，就其本质、必要性和一个保守集团而言，中航工业已倾向于对材料采取较为保守的做法。该行业拥有超过80年的关于金属结构的坚实数据，但复合材料性能的数据却很少。航空航天公司正在享受复合材料重量更轻的特点，由于不熟悉这些材料和其测试，他们在设计上依然保守。计算机分析方法在复合材料结构的设计中扮演着重要角色，可以更好地理解性能，更好地获得所需的测试数据。

复合材料行业有个相关的问题是，其制造过程和金属材料大为不同的。航空业将需要安装全新类型的工装设备，用以生产复合材料结构。

25年前，汽车行业面临着类似的情况。在汽车领域，复合材料及成型的车身面板变得更加标准，考虑到这种变化，汽车制造商已经改进了他们的生产方法和工具。事实上，由于汽车行业对体积的要求，以及采用了更多的复合材料，以满足燃油效率的要求，他们可能会在提高生产效率上产生显著影响。拥有了新的航空复合材料，自动化已经发挥了重要作用，但还需要不断地改进。

解决面临的挑战

正因为复合材料在潜在的损坏和制造方法的复杂性上与金属材料不同，增加的复杂性也进入了适用于复合材料的计算机模拟里。模拟复合材料结构需要分析一种异构材料，这种异构材料由具有方向性的各层粘接在一起，具有独特的性质和变化，而不是分析金属结构均匀的材料特性。

然而，这种复杂性使得模拟对于成功生产更加重要。质量检验不能仅靠肉眼来检查部件，工程师需要复习结构数学，以了解它的性质，而模拟是获得那种类型数据的唯一方法。虽然飞机上许多金属部件并没有进行过模拟，但所有由复合材料制成的结构必须经过模拟。

在计算材料的复杂性和设计复合材料的变量上，Altair公司的产品设计应用其优化技术来指导复合材料结构的生产，确定什么地方层数应减少或组合，以及该如何导向。这些类型的参数不能像传统分析工具一样在模拟中自动变化，传统分析工具只能简单地分析结构，不能帮助判断为了实现最终的性能结构应如何设计。大多数复合材料是层合结构，但确定如何布层仍是一门艺术，而不是一门科学。模拟可以提供必要的计算，供制造艺术家构建结构。许多年前，Altair开发了一套优化算法，专门用于设计复合材料，这是其他软件供应商还没有实现的。

在优化的过程中，仿真工具也显现出轻量化的可能和出色的观察力，得出复合结构哪里可能承受关键的负载。利用物理系统将数据转换成形状和尺寸，以提供最佳的结构，最轻的重量和最大的可持续性。

复合材料的未来

787和A350的设计已经使用了50%以上的复合材料。基于该经验，庞巴迪正在为其C系列飞机创建一个复合材料机翼蒙皮和机身，这将在同一市场上与波音737和空客A320竞争。

在某些情况下，对有大约90个座位的小飞机来说，复合材料可能不是最好的选择，因为其成本和效益的比率与大型飞机不同。使用复合材料的高成本可能会超过燃油效率方面的效益。即在大的燃料节省对飞机拥有者来说非常重要的情况下，一些非常小的只能容纳4到9人的飞机正在用90％的复合材料建造。

行业继续朝着复合材料的方向发展，但一些人怀疑复合材料是否适合如今所有类型的飞机。随着制造技术的提高，几乎所有的飞机都可能受益于这些新材料，就像汽车行业已在车身面板中使用了复合材料，实现了制造方面的突破。

复合材料为航空业展现了广阔的前景。正如787和A350所证明的，并且更多的数据显示出了它们的性能，越来越多的飞机制造商开始投资于该技术。随着时间的推移，有限元分析和优化仿真工具将有助于减少更省油飞机研制道路上的麻烦。