摘要：文章將復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)環(huán)境以及哈飛公司數(shù)字化技術(shù)的研究情況與傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造方法對比，總結(jié)出了復(fù)合材料數(shù)字化制造的優(yōu)點(diǎn)，并提出數(shù)字化技術(shù)是今后航空企業(yè)發(fā)展的主要方向。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；數(shù)字化；FiberSIM

中圖分類號：TH744 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0010-04

從數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用角度，我國航空企業(yè)的復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)仍處于很低的水平，僅是某些數(shù)字化單項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，不具有組合性和連續(xù)性。

而歐美的航空公司（波音和空客）在飛機(jī)研制中將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)、制造、管理的整個(gè)過程當(dāng)中，從最初的設(shè)計(jì)建模，到工藝準(zhǔn)備、工裝設(shè)計(jì)，再到后期的產(chǎn)品檢驗(yàn)，每個(gè)環(huán)節(jié)無一不用到了數(shù)字化技術(shù)。國外的這些應(yīng)用成果表明，必須建立集成的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造環(huán)境，這樣才能真正地打通復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線，打造出飛機(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)件的精品。

1 復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造環(huán)境

1.1 設(shè)計(jì)數(shù)字化

1.1.1 目前的軟件環(huán)境。建立了以萬兆以太網(wǎng)為干線的企業(yè)園區(qū)網(wǎng)，擁有上千臺先進(jìn)計(jì)算機(jī)、大型服務(wù)器和PDM系統(tǒng)等良好的硬件基礎(chǔ)。擁有CATIAV4、CATIAV5工作平臺，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件100%的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。擁有復(fù)合材料專用設(shè)計(jì)軟件FiberSIM、Covers、CPD，結(jié)構(gòu)分析軟件MSC、Patran、Nastran、Dytran、Fatigure、Beasy、Nasgrow、優(yōu)化軟件COMPASS等。圖1和圖2為應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。

1.1.2 FiberSIM和CPD工程設(shè)計(jì)軟件。FiberSIM和CPD軟件是集成于CAD系統(tǒng)中的一個(gè)軟件工具包，它可以使CAD系統(tǒng)成為高性能的設(shè)計(jì)和制造復(fù)合材料零件的軟件工具。FiberSIM和CPD軟件可以進(jìn)行復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)分析、工程設(shè)計(jì)、曲面展開、鋪層定義、自動(dòng)排料等，并通過相應(yīng)接口將定義信息傳遞至自動(dòng)剪裁機(jī)、激光鋪層定位儀和檢測設(shè)備，完全取消了圖紙并提供了復(fù)合材料零件數(shù)字化定義的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，不會(huì)由于不正確或不完整的尺寸以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤造成返工，極大地減少了檢驗(yàn)工作量，產(chǎn)品精度大大提高。

1.1.3 生產(chǎn)制造數(shù)字化復(fù)合材料的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)能力與生產(chǎn)設(shè)備關(guān)系緊密，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大與產(chǎn)品質(zhì)量的提高都要有高質(zhì)量的設(shè)備作基礎(chǔ)。哈飛的復(fù)合材料發(fā)展的每一個(gè)階段，都配備了與生產(chǎn)發(fā)展相配套的設(shè)備。到目前為止，我廠已經(jīng)具備鋪層定位系統(tǒng)、數(shù)控下料機(jī)等工藝設(shè)備。表1為我廠復(fù)合材料主要生產(chǎn)設(shè)備。

1.2 銑床

1.2.1 自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)。復(fù)合材料制造工時(shí)中，手工鋪層所需工時(shí)約占總工時(shí)的60%或更高，而且質(zhì)量不穩(wěn)定（一般鋪層取向有±2°的誤差，鋪層間隙不均勻）。纖維纏繞法鋪層自動(dòng)化、效率高，多用于形狀規(guī)則的筒形、板形構(gòu)件，為此開發(fā)了ATL（Automated Tape Laing）自動(dòng)鋪帶技術(shù)。

ATL技術(shù)中鋪放頭單軸向運(yùn)動(dòng)，只能鋪30°范圍內(nèi)的外形，帶寬3～12英寸，鋪帶速度為每分鐘40m。美國波音Cinati Machine與Cytec共同努力于70年代中期開始研制自動(dòng)鋪帶機(jī)，現(xiàn)已發(fā)展了三代Tape Laing Machine：

第一代：平面、窄帶、帶寬3英寸

第二代：大型平面、寬帶、帶寬12英寸

第三代：鋪曲面，稱“外形鋪帶機(jī)”CTLM

主要工作過程：預(yù)浸料分配→稍加熱→與紙分離→鋪下、切斷、壓實(shí)，關(guān)鍵是鋪帶頭，具有扇形端，隨零件外形走動(dòng)、均勻施壓。該技術(shù)可節(jié)省86%的鋪貼工時(shí)，10%的材料，廢品率僅3%～5%，手工為25%～30%。取向均勻性都比手工鋪貼好，提高了制件的精度和質(zhì)量，降低了成本。據(jù)悉，目前已售出50多臺，價(jià)格約為每臺300萬美元。

1.2.2 自動(dòng)鋪絲系統(tǒng)。由于帶子太寬，所以ATL技術(shù)難于鋪出有雙曲率的形狀復(fù)雜的構(gòu)件，因此，在ATL技術(shù)和纖維纏繞技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了AFP（Automated Fiber Placement）自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)，該技術(shù)自20世紀(jì)80年代中期研發(fā)，1989年Cincinati Machine設(shè)計(jì)了第一臺AFPM，并于1990年交付使用。

AFP技術(shù)中，絲束是預(yù)浸無捻纖維束，寬度為3mm的窄帶，厚度0.14mm，長度以km計(jì)，鋪放速度為每分鐘6m，計(jì)算機(jī)程序控制，鋪放精度可達(dá)3‰，鋪層時(shí)可進(jìn)行壓實(shí)或固化。

窄的絲束可以更好地控制纖維取向，只增強(qiáng)那些應(yīng)該增強(qiáng)的部位，而不會(huì)將周圍部分隨之過分增強(qiáng)。由于鋪放頭可以單獨(dú)鋪放及切割每一絲束，所以AFP技術(shù)易于構(gòu)成厚截面和變截面以及制造幾何形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件，并且具有速度快、精度高、質(zhì)量好、材料利用率高的特點(diǎn)，加上大面積整體成形技術(shù)可降低成本50%。自動(dòng)纖維鋪放機(jī)如圖3所示：

1.2.3 自動(dòng)下料系統(tǒng)。為減少手工下料錯(cuò)誤，使下料過程更準(zhǔn)確、更快捷，采用專門的數(shù)控切割設(shè)備來進(jìn)行預(yù)浸料的平面切割。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)文件被用于控制切割設(shè)備的運(yùn)行，從而避免手工操作不可缺少的切割樣板，有助于為鋪層排料和特形銑等后續(xù)應(yīng)用提供必要的信息。

1.2.4 激光鋪層定位系統(tǒng)。激光鋪層定位系統(tǒng)是由一個(gè)工作站附帶若干臺鋪層定位儀而構(gòu)成的。工作時(shí)定位儀將激光投射在工裝的定位元件上。確定位置后即開始工作，按工作站預(yù)先編制的軟件將激光投射在工裝預(yù)定的區(qū)域，表明要鋪層的位置、形狀、材料種類代號及方向。該系統(tǒng)不僅提高了鋪層準(zhǔn)確性，而且實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過程脫離圖紙，從而極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2 研究內(nèi)容與過程

本課題以轉(zhuǎn)包B787復(fù)合材料翼身整流罩494Z2202-3為基礎(chǔ)，研究復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用。首先，哈飛的設(shè)計(jì)、工藝和質(zhì)量人員對波音公司提供的《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料件制造規(guī)范》（BAC5317）要求統(tǒng)一認(rèn)識。其次，分析波音公司提供的復(fù)合材料板件數(shù)模，按規(guī)范要求進(jìn)行鋪層擴(kuò)展補(bǔ)充設(shè)計(jì)，并生成供制造車間數(shù)控切割設(shè)備下料的鋪層展開圖和供激光鋪層定位系統(tǒng)投影的激光投影程序。最后，由制造車間對鋪層展開圖進(jìn)行排板下料，并按激光鋪層定位系統(tǒng)的投影和BAC5317要求進(jìn)行鋪層，鋪層結(jié)束后，按規(guī)定的溫度、壓力和時(shí)間進(jìn)行固化。固化結(jié)束后進(jìn)行切邊鉆孔，并按BAC5317要求進(jìn)行C掃描和無損檢測（NDI）。

B787復(fù)合材料翼身整流罩板件曲面比較復(fù)雜，零件的結(jié)構(gòu)尺寸為2700×1300mm，板件均為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用對稱設(shè)計(jì)，鋪層主要以0°、±45°和90°三種為主，在每一個(gè)件中至少有10%某方向的鋪層，以防止樹脂直接受力。鋪層遞減寬度相等，均大于或等于2.54mm，以避免層剪破壞。該件有6塊蜂窩，6塊蜂窩為變厚度蜂窩，厚度為25.4～46mm不等，加工起來非常困難。蜂窩邊緣采用切20°

角形式，采用大圓角過渡，板件鋪層為29層。

B787板件所選用的材料為環(huán)氧膠膜（BMS5-154）、鋁箔（BMS8-336）、玻璃纖維環(huán)氧加強(qiáng)布（BMS8-79）、碳纖維環(huán)氧加強(qiáng)布（BMS8-168）和泰德拉膜，在上表面蒙皮采用一層厚0.1mm的鋁箔來達(dá)到防雷擊的目的。

以上所有零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)尺寸、尺寸公差、材料屬性、工藝信息都包含在CATIA數(shù)模和FiberSIM軟件中。圖4為用FiberSIM軟件顯示板件模型各種設(shè)計(jì)信息。

根據(jù)每一層的邊界生成投影文件；根據(jù)每一層的展開圖生成下料文件，將這兩個(gè)文件分別輸入到投影設(shè)備和下料設(shè)備中，投影設(shè)備在工裝表面投影出每一層的輪廓，自動(dòng)下料機(jī)按照下料文件上的信息在預(yù)浸料上裁減出每一層的平面展開狀態(tài)的形狀，最后將下料機(jī)裁減出的每一層按照工裝上所投影出的輪廓鋪貼上去，當(dāng)所有層都鋪貼完成后到熱壓罐里固化成形，經(jīng)過切割最終成型出產(chǎn)品。

3 結(jié)語

通過對波音787翼身整流罩的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究，應(yīng)用復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造方法相比：制造周期縮短30%；原材料節(jié)省20%。

通過對復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行全面研究，可以極大地推動(dòng)我國復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造水平，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)、工藝、制造一體化，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用將成為今后我國航空企業(yè)工段技術(shù)的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國航空研究院．復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M]．北京：航空工業(yè)出版社，2001．

[2] 楊乃賓，章怡寧．復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．北京：航空工業(yè)出版社，2002．

[3] 歐洲航天局．復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊[M]．航空航天部飛機(jī)強(qiáng)度研究所，1992．

[4] 戴棣，謝富原．航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造技術(shù)[A]．航空復(fù)合材料預(yù)研二十年回顧與展望研討會(huì)論文集[C]．2001．

[5] 沃丁柱．復(fù)合材料大全[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000．

[6] IBM．Composite Covering．1999．

[7] IBM，CATIA．Composite Covering Users Guide Version4．1999．

作者簡介：張鵬宇（1980-），男，遼寧阜新人，供職于中航工業(yè)哈飛飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：王書柏）