本文探討了復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)字化建模技術(shù)相關(guān)內(nèi)容。

　　復(fù)合材料是一種由高強度、高剛度增強材料鋪設(shè)在基體中所構(gòu)成的新型材料，具有高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性和抗腐蝕性等一系列優(yōu)點。隨著復(fù)合材料在飛機上用量的日益增加，其重要性也越來越突出。由于先進復(fù)合材料的可設(shè)計性及其在提高飛機性能上的巨大潛力，復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的部位和用量的多少幾乎已成為衡量當(dāng)代飛機先進性的一個重要標(biāo)志。

　　然而復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計又有許多本質(zhì)的區(qū)別且更加復(fù)雜。原因是復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計時并無確定的結(jié)構(gòu)材料存在，其產(chǎn)品和材料的研制是同時進行的，材料的制造同樣要按結(jié)構(gòu)設(shè)計進行，因此需要設(shè)計人員與分析、制造人員之間更密切地配合，數(shù)據(jù)傳遞也更為頻繁。

　　復(fù)合材料傳統(tǒng)研制方法

　　在傳統(tǒng)的復(fù)合材料研制模式中，設(shè)計、分析及制造之間的數(shù)據(jù)是通過模擬量傳遞的。設(shè)計工程師根據(jù)設(shè)計輸入條件，依靠自身的經(jīng)驗和空間想象能力繪制鋪層圖和鋪層順序表，其中包括鋪層的每一個細節(jié)，如尺寸、形狀、剪口、鋪層順序、鋪層角度等;強度校核時，分析工程師根據(jù)圖紙內(nèi)容及其對圖紙的理解，將鋪層信息等內(nèi)容反映到強度計算模型中;工廠制造時，工裝設(shè)計人員根據(jù)圖紙設(shè)計模線樣板及模具，零件制造車間再根據(jù)模線樣板下料、鋪疊(。成型工藝以手工為主，構(gòu)件質(zhì)量在很大程度上依賴于工人的經(jīng)驗和熟練程度。

　　總的來說，這種傳統(tǒng)的復(fù)合材料設(shè)計制造方式極可能會在設(shè)計、分析、制造(CAD/CAE/CAM)間出現(xiàn)數(shù)據(jù)源不唯一的情況，且制造的效率和精度都比較低，成本也過高，極大阻礙了復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

　　復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計、分析與制造

　　復(fù)合材料設(shè)計、制造專用軟件的開發(fā)以及各種復(fù)合材料數(shù)控制造設(shè)備(如預(yù)浸料自動剪裁設(shè)備、激光投影設(shè)備和纖維自動鋪放設(shè)備等)的研制成功，使復(fù)合材料構(gòu)件研制過程的數(shù)據(jù)以數(shù)字量傳遞成為可能，設(shè)計、分析、制造結(jié)合得更為緊密。

設(shè)計、分析與制造見的數(shù)據(jù)傳遞

　　通過在復(fù)合材料構(gòu)件研制過程中引入數(shù)字化技術(shù)，可以保證設(shè)計、分析、制造數(shù)據(jù)源的唯一，真正做到復(fù)合材料CAD/CAE/CAM一體化，便于數(shù)字量傳遞，減少研制時間，加快研制進度。

符合材料傳統(tǒng)研制法

　　復(fù)合材料數(shù)字化建模

　　復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計為后續(xù)的分析、制造等環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)源頭。而復(fù)合材料構(gòu)件的三維數(shù)字化模型是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終表達，并且復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)模的建立貫穿于整個復(fù)合材料研制過程中。因此研究復(fù)合材料數(shù)字化建模是發(fā)展復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計/制造能力的基礎(chǔ)。通過采用復(fù)合材料三維模型數(shù)據(jù)集，可以完全擺脫傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字量傳遞，使設(shè)計和表達更為簡單，效率更高。

　　1數(shù)字化建模流程

　　根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般流程，可以將復(fù)合材料數(shù)字化建模分為3個階段：初步設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段和制造準備階段。復(fù)合材料專用設(shè)計制造軟件是進行復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化建模不可缺少的工具。目前常用的主要有CATIA-CPD模塊(CATIA-Composite Design)和FiberSIM軟件。從復(fù)合材料初步設(shè)計到制造準備，CATIACPD模塊根據(jù)設(shè)計對象的不同階段提供了很多實用的建模工具，如區(qū)域建模、鋪層設(shè)計、可制造性分析、實體生成和鋪層展開等。

　　1.1初步設(shè)計

　　復(fù)合材料構(gòu)件初步設(shè)計主要完成區(qū)域和過渡區(qū)域的建模，基于區(qū)域自動生成構(gòu)件粗略的三維實體，用于建立飛機的初級電子樣機。

　　(1)定義設(shè)計貼模面。

　　設(shè)計貼模面即零件的外型面，是復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計表面，同時也是模具設(shè)計制造的依據(jù)。對于蒙皮類零件，設(shè)計貼模面一般為飛機理論外形的一部分，可直接從外形文件中提取;部分飛機內(nèi)部復(fù)合材料構(gòu)件(如梁、肋等)，需要手工擬合設(shè)計貼模面。

　　(2)建立鋪層坐標(biāo)系。

　　鋪層坐標(biāo)系用來標(biāo)識纖維的基本方向，即0°方向。對于平板類零件，一般建立笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的X軸方向為纖維縱向(0°方向)，XY 平面為纖維所在鋪層的平面或曲面外形的切面;筒形零件一般建立圓柱坐標(biāo)系。每層單向帶都有一個相對于鋪層坐標(biāo)系的鋪設(shè)角度，用來標(biāo)識該層的纖維方向。

　　(3)區(qū)域、過渡區(qū)域建模。

　　區(qū)域是層合板上具有不變厚度和鋪層百分比的部分。有了零件的設(shè)計表面，就可以根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)在該設(shè)計表面上劃分不同區(qū)域，定義每一個區(qū)域上的鋪層參數(shù)包括區(qū)域的封閉輪廓、參考坐標(biāo)系、材料和各鋪設(shè)角度下的鋪層數(shù)。相鄰2個區(qū)域之間并且定義鋪層遞減關(guān)系的部分為過渡區(qū)域(即丟層區(qū))。

圖4 初步設(shè)計階段的區(qū)域建模

　　(4)基于區(qū)域創(chuàng)建實體。

　　該實體較為粗糙，尤其是在過渡區(qū)域與真實結(jié)構(gòu)存在較大差距，只能用于初級的電子樣機協(xié)調(diào)。

　　1.2鋪層詳細設(shè)計

　　鋪層詳細建模是復(fù)合材料數(shù)字化建模的核心問題。

基于區(qū)域生成的實體模型

　　(1)基于區(qū)域生成鋪層。

　　依據(jù)前面定義的區(qū)域模型利用鋪層建模工具，可自動生成構(gòu)件初步的鋪層定義，每一鋪層具有幾何輪廓、材料類型、鋪設(shè)角度和參考坐標(biāo)系等屬性數(shù)據(jù)，所有的鋪層在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上按照鋪放順序組成一個鋪層組。

　　(2)鋪層輪廓剪裁。

　　自動生成的鋪層輪廓有時與設(shè)計人員想要得到的鋪層輪廓有一定差距，尤其是在過渡區(qū)域一般未包含鋪層遞減信息。輪廓剪裁工具可以讓設(shè)計人員將相鄰區(qū)域的鋪層按照一定的規(guī)則進行丟層，實現(xiàn)區(qū)域過渡。

　　(3)調(diào)整鋪層順序。

　　簡單的鋪層調(diào)整(角度、順序和輪廓等)可直接在CATIA中進行;若調(diào)整幅度較大，借助表格對鋪層進行批量調(diào)整是最為常用的方法。

　　(4)對稱鋪層。

　　除特殊需要外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)采用均衡對稱鋪層，以避免固化后由于耦合引起制件翹曲。對于對稱鋪層結(jié)構(gòu)，在上述建模步驟中只需完成一半鋪層的復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計建模，然后再進行鋪層對稱。

　　圖6 是按照上述步驟生成的完整的鋪層數(shù)據(jù)，過渡區(qū)域部分可以明顯看出鋪層的遞減關(guān)系，不同顏色的幾何輪廓標(biāo)識不同的鋪設(shè)角度，鋪層的非幾何數(shù)據(jù)存儲在鋪層屬性中。

　　(5)基于鋪層創(chuàng)建實體。

　　復(fù)合材料構(gòu)件的最終形狀是由許多鋪放在模具表面的鋪層和夾芯決定的。從設(shè)定的貼模面、鋪層和夾芯可自動生成層合板三維實體模型。該三維實體用于定義構(gòu)件的形狀及定維特征，以便在重量和重心分析、數(shù)字樣機協(xié)調(diào)和工裝設(shè)計等過程中應(yīng)用。

　　1.3制造準備

　　制造準備階段是制造工藝人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供的復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)模的基礎(chǔ)上進行制造、詳細建模，為數(shù)字化制造做準備。這個階段主要完成構(gòu)件鋪層分塊、可制造性分析、鋪層展開和制造數(shù)據(jù)輸出等工作。

基于鋪層定義的三維實體

　　由于預(yù)浸料寬度的限制，需要按適當(dāng)?shù)拈g距將超出限制寬度的鋪層進行分塊。當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件的外形較為復(fù)雜時，某些區(qū)域會因材料過多引起褶皺，或因材料過少而造成搭接，因此需要對鋪層進行可制造性分析，根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的措施(如更換鋪放起始點或剪口)進行更正。一旦工藝人員對鋪層幾何感到滿意，即可將鋪層展開成對應(yīng)的二維平面圖。復(fù)合材料設(shè)計制造軟件還提供與數(shù)字化制造設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，自動生成設(shè)備所要求的輸入文件格式，直接驅(qū)動設(shè)備的運行，包括排樣下料系統(tǒng)、激光投影系統(tǒng)、自動鋪帶機和纖維自動鋪放設(shè)備等。

　　需要注意的是，可制造性分析同時也是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在詳細設(shè)計階段要做的工作，通過分析可以在設(shè)計早期預(yù)防零件制造時出現(xiàn)變形、起皺的現(xiàn)象。

　　2優(yōu)點總結(jié)

　　采用復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化建模主要有以下優(yōu)點：

　　(1)復(fù)合材料數(shù)字化建模可有效解決復(fù)合材料的三維設(shè)計，在數(shù)字樣機上實現(xiàn)與周邊零件的裝配和協(xié)調(diào);

　　(2)數(shù)字化模型除滿足結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)、供數(shù)字化樣機使用外，還有其他顯著的優(yōu)點，如在初步設(shè)計階段，可以快速建立復(fù)合材料3D模型，可快速調(diào)整鋪層參數(shù)和零件間的關(guān)聯(lián)性，方便修改;

　　(3)可直觀了解鋪層情況(纖維的鋪放角度變化)，在關(guān)鍵點檢查鋪層的對稱、均衡等特性，有助于提高設(shè)計質(zhì)量;可對所設(shè)計零件進行工藝性分析，通過鋪層仿真，檢查由于復(fù)雜曲面造成的纖維偏移、彎曲，預(yù)見由此帶來的變形、起皺等問題，可節(jié)約工藝試制的周期和成本;

　　(4)為后續(xù)設(shè)計提供設(shè)計輸入，形成復(fù)合材料蒙皮類零件的內(nèi)型面，為設(shè)計與復(fù)合材料配合的零件提供外形;

　　(5) 通過其分析軟件的接口，直接生成復(fù)合材料鋪層信息傳入PATRAN，減少強度建模的時間和提供準確的鋪層信息。并可將結(jié)構(gòu)設(shè)計信息(材料和鋪層位置、纖維方向等)方便快捷傳遞到強度設(shè)計部門，強度設(shè)計部門可實時得到結(jié)構(gòu)設(shè)計信息，便于結(jié)構(gòu)、強度協(xié)同設(shè)計;

　　(6) 通過復(fù)合材料數(shù)字化模型

　　的二維展開功能，直接生成下料展開文件，由自動下料機進行自動切割，在鋪疊時通過激光投影儀進行定位，直接進行鋪疊。給制造提供方便(可提供鋪層展開圖，不需要模線樣板，可供工廠自動化下料，實現(xiàn)自動化鋪疊，為模具提供設(shè)計及制造依據(jù))，減少工藝準備時間。

　　復(fù)合材料數(shù)字化建模規(guī)范

　　復(fù)合材料專用軟件雖然提供了比較多的建模工具，但由于復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式的多樣性以及設(shè)計表達的復(fù)雜性，使得設(shè)計人員較難在短期內(nèi)熟練掌握復(fù)合材料數(shù)字化建模技術(shù)，除了進行必要的培訓(xùn)外，建立相應(yīng)的建模規(guī)范來指導(dǎo)和規(guī)范設(shè)計人員進行數(shù)字化建模，是保證復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計制造快速發(fā)展的重要手段。

　　復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式不同，其建模方法也不同。因此建議復(fù)合材料建模規(guī)范可分為兩部分建立：第一部分是復(fù)合材料數(shù)字化建模規(guī)范總則，主要描述復(fù)合材料構(gòu)件的通用建模要求、建模質(zhì)量要求、專用術(shù)語及定義、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)集的存放及命名規(guī)則等;第二部分為復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化建模指南，即通過實例來描述不同結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料構(gòu)件的具體建模步驟，要具有很強的可操作性。所有指南須遵循共同的規(guī)范總則。

　　目前首先要做的是設(shè)計部門與制造部門一起，結(jié)合目前國內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計制造的特點，分析數(shù)據(jù)傳遞規(guī)則，共同討論建立一個初步建模規(guī)范，并在今后的發(fā)展、交流過程中不斷完善，從而逐漸形成完整的建模規(guī)范體系。這樣才能促進復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計/制造的快速發(fā)展，真正擺脫傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式，實現(xiàn)數(shù)字量傳遞，保證數(shù)據(jù)源的唯一。

　　結(jié)束語

　　隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展、CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，準確直觀的計算機數(shù)模取代了傳統(tǒng)的工程圖紙，從而使設(shè)計質(zhì)量得到極大的提高，設(shè)計周期大為縮短，且研制費用大為降低。波音公司在研制其B777時就已應(yīng)用三維CAD / CAM軟件CATIA 完全實現(xiàn)了無紙設(shè)計。目前，國內(nèi)飛機設(shè)計制造領(lǐng)域機械加工的金屬零件已率先實現(xiàn)了全三維數(shù)據(jù)集定義。復(fù)合材料零件因其三維數(shù)字化表達較為復(fù)雜，以及傳統(tǒng)的設(shè)計/ 制造模式根深蒂固，數(shù)字化進展較為緩慢。

　　設(shè)計人員掌握復(fù)合材料數(shù)字化建模技能并能夠熟練地應(yīng)用是構(gòu)建數(shù)字化設(shè)計/制造系統(tǒng)框架的一個重要前提。此類能力如不完備，在飛機復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計/制造上即便有完好的系統(tǒng)設(shè)想，也難有實施的可能。