中航通飛研究院有限公司 孫銀寶 陳 娟 楊 軍

先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)一直引領(lǐng)航空航天技術(shù)的進(jìn)步，在數(shù)字化技術(shù)研究應(yīng)用方面，從二維圖紙與模板樣板結(jié)合階段發(fā)展到目前普遍采用的三維數(shù)模加二維圖紙的方式。三維數(shù)模結(jié)合二維圖紙的方式通過(guò)復(fù)合材料專用設(shè)計(jì)模塊（CPD或Fibersim軟件）進(jìn)行參數(shù)化實(shí)體建模，直觀地表達(dá)了產(chǎn)品的立體結(jié)構(gòu)、鋪層信息，提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；同時(shí)數(shù)字化制造設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料、激光鋪層定位和纖維自動(dòng)鋪放等數(shù)字化制造，大大提高了生產(chǎn)效率。但由于三維建模只能表達(dá)產(chǎn)品的幾何模型，不能表達(dá)必需的工藝信息（如設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、尺寸精度、技術(shù)要求等非幾何信息），制造人員需要二維圖紙才能把零件加工出來(lái)。然而在三維模型在轉(zhuǎn)化為二維圖紙的過(guò)程中，難免出現(xiàn)信息不對(duì)應(yīng)、表達(dá)不清晰等問(wèn)題[1-4]。

1994年，波音公司在研制777飛機(jī)時(shí)就提出了無(wú)紙化的思路，逐漸演變成MBD技術(shù)，拋棄了原有的以三維為主、二維圖紙為輔的設(shè)計(jì)方法，將產(chǎn)品圖紙全部模型化，開(kāi)創(chuàng)了全三維數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先河。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和三維CAD技術(shù)的成熟與普及，國(guó)內(nèi)航空廠所大力推進(jìn)MBD技術(shù)的發(fā)展。MBD技術(shù)充分利用三維模型直觀、可視化和準(zhǔn)確表達(dá)的特點(diǎn)，將產(chǎn)品全生命周期中所需的幾何信息和非幾何信息，以注釋或?qū)傩缘姆绞礁郊拥饺S模型中，從而使三維模型成為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù)，使設(shè)計(jì)人員擺脫了繁重瑣碎的二維制圖工作，提高了設(shè)計(jì)信息表達(dá)和傳遞的速度。

圖1 MBD模型的定義

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型與材料成型同時(shí)進(jìn)行、同時(shí)完成的特點(diǎn)，決定了復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造密不可分。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入MBD數(shù)字化技術(shù)，定義、傳遞和管理復(fù)合材料研制過(guò)程中所包含的全部數(shù)字化信息及這些信息的關(guān)聯(lián)，可以保證設(shè)計(jì)、制造數(shù)據(jù)源的唯一，從根本上改變傳統(tǒng)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造方式，大幅度地提高復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造水平。

復(fù)合材料MBD模型概述

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型為后續(xù)的分析、制造等環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)輸入。全三維數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中復(fù)合材料MBD模型是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終表達(dá)，并且貫穿于整個(gè)復(fù)合材料研制過(guò)程（圖1）。因此復(fù)合材料數(shù)字化建模是復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化的基礎(chǔ)，通過(guò)MBD模型集成復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析、制造、檢測(cè)所需的幾何信息和非幾何信息，完全擺脫傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的唯一，使復(fù)合材料設(shè)計(jì)和表達(dá)更為簡(jiǎn)潔，更具效率[5-6]。

采用MBD技術(shù)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)后，MBD產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型是對(duì)產(chǎn)品零部件信息完整描述的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)了產(chǎn)品的三維幾何信息、零件信息以及描述一個(gè)產(chǎn)品所必需的尺寸、公差和注釋信息。按照MBD模型信息的組成，MBD模型采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征樹(shù)的方法來(lái)組織和管理所有模型的幾何信息和非幾何信息。MBD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征樹(shù)通過(guò)關(guān)聯(lián)各種類型信息節(jié)點(diǎn)的方法，有效地組織了MBD模型中的設(shè)計(jì)模型、標(biāo)注和屬性等信息，解決了大量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的組織管理問(wèn)題。

幾何信息

零件模型幾何信息描述產(chǎn)品形狀、尺寸信息等。幾何信息包含基準(zhǔn)、標(biāo)注平面、尺寸、幾何圖形公差、注釋、粗糙度、連接定義、標(biāo)注輔助幾何元素、捕獲等。幾何信息除了在三維實(shí)體上標(biāo)注外，還在結(jié)構(gòu)樹(shù)上自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)。復(fù)合材料三維標(biāo)注在保證設(shè)計(jì)要求的前提下，尺寸標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有利于加工檢測(cè)。尺寸標(biāo)注允許簡(jiǎn)化，如按一般公差制造的尺寸可在三維模型中不標(biāo)注。為了在三維模型中快速查找與使用各類信息，必須采用相關(guān)方法和按照一定規(guī)則對(duì)標(biāo)注信息進(jìn)行分類管理和顯示。在CATIA系統(tǒng)中，采用捕獲方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這種需求。捕獲是預(yù)先定義的模型視圖，是CATIA軟件系統(tǒng)中的一個(gè)視角方向的信息記錄，它記錄了使用者從哪個(gè)最清晰的視角觀察產(chǎn)品的幾何模型，用于幫助理解和檢查模型。三維模型應(yīng)根據(jù)需要建立所需捕獲的數(shù)量，原則上應(yīng)準(zhǔn)確、清晰、全面地反映所有信息。每個(gè)捕獲面應(yīng)有明確的標(biāo)識(shí)，應(yīng)使用最能描述視角所反映信息的類型進(jìn)行標(biāo)識(shí)，如標(biāo)注信息的特性與類型、視角方向等。所有的捕獲信息組織在標(biāo)注集節(jié)點(diǎn)下的捕獲分類節(jié)點(diǎn)中，以達(dá)到方便管理和后續(xù)應(yīng)用的目的。一般情況下至少要有3個(gè)捕獲，只表達(dá)幾何模型的捕獲，包含幾何模型和標(biāo)注基準(zhǔn)的捕獲，包含幾何模型、標(biāo)注基準(zhǔn)、全部尺寸標(biāo)注的捕獲；如果發(fā)生更改，還應(yīng)建立更改捕獲。如果是關(guān)鍵件和重要件，則需建立關(guān)重件特性捕獲。某型飛機(jī)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的捕獲項(xiàng)如圖2所示。捕獲內(nèi)容包含基本視圖、鋪層坐標(biāo)系、貼膜面、鋪層定義、玻璃布、基準(zhǔn)視圖、膠接區(qū)域和無(wú)損檢測(cè)B區(qū)等信息，這些信息在標(biāo)注集中進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1 材料信息

復(fù)合材料構(gòu)件因其自身的特殊性，其主要特點(diǎn)為材料可設(shè)計(jì)性。在用CATIA V5進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)建立統(tǒng)一的材料庫(kù)，材料庫(kù)中應(yīng)包含設(shè)計(jì)所需的所有材料，且每種材料的物理特性應(yīng)與實(shí)際特性一致。材料屬性中應(yīng)包含材料名稱、材料類型、固化前厚度、固化后厚度、纖維寬度、單位面積重量、密度、鋪層方向等信息。若可以還應(yīng)包含材料標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范名稱、毛料尺寸以及允許替換的材料名稱。

圖2 捕獲內(nèi)容標(biāo)注集

復(fù)合材料零件不同于金屬零件處在于可能不只包含一種材料，如混雜復(fù)合材料零件、蜂窩或泡沫夾層復(fù)合材料零件等。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)包含上、下面板的材料，蜂窩材料，還有面板與蜂窩膠接的膠層材料，如果考慮到密封因素還可能包含封邊材料；如果要對(duì)蜂窩芯加強(qiáng)還可能包含發(fā)泡膠材料；如果蜂窩需拼接還包含拼接膠材料；如果零件為飛機(jī)外表面，可能還包含防雷擊膠膜等；如果需要考慮與金屬材料的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題還可能包含玻璃纖維材料，因此復(fù)合材料零件賦材料的方法不能簡(jiǎn)單照搬金屬零件賦材料方法。某型飛機(jī)復(fù)合材料零件的材料信息如圖3所示。

圖3 材料屬性信息

2 鋪層信息

鋪層是復(fù)合材料構(gòu)件的基本元素，對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能具有決定性的影響，因此對(duì)鋪層狀態(tài)的精確定義和準(zhǔn)確控制是復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)最重要的目標(biāo)之一[7]。復(fù)合材料不同部位的載荷條件和結(jié)構(gòu)形式不相同，需設(shè)計(jì)的鋪層角度、鋪層比例和鋪層順序不一致。同時(shí)，也需要有良好的復(fù)合材料鋪層厚度和鋪層順序，使得不同位置的復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)[8]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模的核心是鋪層設(shè)計(jì)。鋪層包括鋪層材料、鋪放表面、鋪層邊界、鋪層原點(diǎn)、鋪設(shè)角度和鋪放順序等數(shù)據(jù)。其中鋪放表面、鋪層邊界和鋪層原點(diǎn)分別與相應(yīng)的幾何特征相關(guān)聯(lián)，鋪設(shè)角度定義鋪層纖維的鋪設(shè)方向。所有鋪層的定義數(shù)據(jù)按照鋪放順序組織在一起構(gòu)成復(fù)合材料構(gòu)件的材料鋪放數(shù)據(jù)，定義材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6]。每一層的鋪層信息是相對(duì)獨(dú)立存在的，每一層的鋪層信息應(yīng)在結(jié)構(gòu)樹(shù)中進(jìn)行清晰表達(dá)。不同的鋪層角度應(yīng)設(shè)置不同的顏色以示區(qū)別。鋪層坐標(biāo)系應(yīng)建立在當(dāng)前鋪層區(qū)域內(nèi)，建模過(guò)程中應(yīng)用到的坐標(biāo)系應(yīng)與標(biāo)注中的坐標(biāo)系保持一致，一般情況下，X軸正方向設(shè)定為0°方向，Y軸方向設(shè)定為90°方向。1個(gè)鋪層集對(duì)應(yīng)1個(gè)坐標(biāo)系，當(dāng)一個(gè)零件的鋪層由若干個(gè)鋪層集組成，且用1個(gè)坐標(biāo)系無(wú)法表達(dá)清楚時(shí)，需分別建立獨(dú)立的坐標(biāo)系。鋪層的邊界應(yīng)反映真實(shí)的零件邊界，且應(yīng)適當(dāng)考慮工藝部門(mén)鋪貼、裝配余量的要求，以減少工藝部門(mén)制造數(shù)據(jù)集的設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短零件的研制周期。

非幾何信息

為滿足工藝制造、裝配、檢測(cè)等要求，MBD三維模型還應(yīng)包含相關(guān)的非幾何信息。非幾何信息標(biāo)注在結(jié)構(gòu)樹(shù)上。非幾何信息包括模型屬性、對(duì)稱信息、更改說(shuō)明、通用注釋、零件注釋、旗注說(shuō)明、熱表處理注釋、裝配注釋等信息。模型屬性信息主要指零部件的編號(hào)、名稱、成熟度、零部件類型、特性分類、重量等。對(duì)稱信息指零件是否為對(duì)稱件的說(shuō)明。更改說(shuō)明記錄更改的相關(guān)信息。通用注釋是對(duì)零件的一般描述和說(shuō)明的幾何圖形集，不要求關(guān)聯(lián)性，主要包含企業(yè)標(biāo)識(shí)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、密級(jí)控制、生產(chǎn)控制、出口控制等通用類信息。零件注釋是零件制造所需要的工程注釋，主要包含一般公差、未注圓角、標(biāo)印標(biāo)記、制造工藝、檢測(cè)方法等信息。旗注說(shuō)明指模型中旗注的詳細(xì)說(shuō)明，旗注僅適用于模型的局部區(qū)域。熱表處理主要指零件的表面處理、熱處理以及表面防護(hù)等要求。如果是裝配件還應(yīng)包含裝配注釋，裝配注釋主要指表面質(zhì)量、裝配工藝等信息。

結(jié)束語(yǔ)

基于MBD的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)MBD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集組織和集成三維模型的幾何信息和非幾何信息，完整地表達(dá)設(shè)計(jì)、分析、制造、檢驗(yàn)等復(fù)合材料研制過(guò)程中所必須的信息。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)建模表達(dá)的區(qū)別主要在于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件包含鋪層信息的表達(dá)，以及多種材料信息的表達(dá)。基于MBD的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表達(dá)技術(shù)，不僅清晰地反映了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的材料及鋪層的信息，而且避免了復(fù)合材料三維模型向二維圖紙轉(zhuǎn)換的繁瑣和失誤，保證了數(shù)據(jù)表達(dá)的唯一性和正確性，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化，提升了復(fù)合材料設(shè)計(jì)的效率，縮短了復(fù)合材料產(chǎn)品研制周期。

[1]殷宏,張立旻,曹景斌.復(fù)合材料件基于MBD的數(shù)字化定義技術(shù)研究.第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2012:159-162.

[2]寧俊義.MBD模式下復(fù)合材料設(shè)計(jì)信息的表達(dá)和傳遞.第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2012:163-169.

[3]梁勇芳,張友強(qiáng).復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用.塑料工業(yè),2009,37(12):1-4.

[4]白彬,朱文華,李寶瑞,等.設(shè)計(jì)MBD模型及其在特征加工中的應(yīng)用.現(xiàn)代制造工程,2014(3):95-99.

[5]徐榮欣,張慶茂,楊軍.復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化建模技術(shù)研究.航空制造技術(shù),2010(9):64-67.

[6]張麗華,范玉青.復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)、分析、制造一體化.宇航材料工藝,2010(1):15-18.

[7]戴棣,梁憲珠,陳利平.計(jì)算機(jī)與復(fù)合材料構(gòu)件制造過(guò)程的模式轉(zhuǎn)變.航空制造技術(shù),2006(1):46-49.

[8]陳娟,王詠梅,田憲偉.基于骨架模型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.航空制造技術(shù),2013(15):48-50.