文/于萍

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全三維的復合材料升降舵結構設計與表達技術

文/于萍

0　引言

復合材料由于其本身具有的優(yōu)異性能已被廣泛應用于航空領域，在飛機上的應用從口蓋、整流罩到次級承力結構的操縱面開始，已逐步過渡到機翼、機身等主承力結構。波音787飛機的復合材料用量已達到了50%，采用先進的纏繞工藝制造的整體化機身結構技術成功引導了復合材料結構設計與制造的發(fā)展方向。為提高某大型水陸兩棲飛機的市場競爭力，升降舵等操縱面全部采用復合材料設計。本文根據飛機設計手冊和民用飛機適航條例CCAR25部，以CATIA三維數字化設計技術、PATRAN/NASTRAN有限元分析技術、MBD表達技術為依托，完成復合材料升降舵的結構設計。

1　CATIA三維數字化設計技術

1.1骨架模型建立

根據總體提供的升降舵理論外形，參考復合材料設計手冊及其他相關機型的設計經驗，升降舵采用加筋壁板的結構形式，多點懸掛的單梁多肋式結構。確定舵面梁、后墻、肋、長桁和接頭的站位位置，形成升降舵骨架模型。

1.2復合材料鋪層設計

打開CATIA的COMPOSITES DESIGN模塊，首先建立材料庫，材料庫的建立方法是composites parameters/Add materials/雙擊文件/選擇已建立好的材料庫，完成材料創(chuàng)建。

根據強度輸入的鋪層要求，開展鋪層設計。CPD建模有三種方法：網格法（Grid design）、區(qū)域法（Zone）、手鋪法（Ply by Ply）。對于曲率小、鋪層數多的舵面蒙皮、梁等適合采用網格法設計，對于肋等鋪層數少且厚度區(qū)域變化不大的結構適合采用手鋪法設計，對于長桁等結構適合采用區(qū)域法進行設計。

以升降舵下蒙皮為例，進入COMPOSITES DESIGN模塊后，雙擊composites parameters圖標，選擇材料定義鋪層方向及顏色，確定后開始鋪層設計。

網格法設計的基本步驟：①點擊Grid Panel definition標識，創(chuàng)建基本鋪疊面和鋪層坐標系，以長桁、肋、梁等為單元劃分網格，定義鋪層組。②點擊Grid definition標識定義鋪層信息。③點擊Virtual stacking management標識建立鋪層管理系統(tǒng)。④點擊 Plies generation生成鋪層。⑤點擊 Create iso-thickness areas生成等厚度區(qū)域。⑥點擊Create junction line from iso-thickness areas建立等厚度區(qū)域的連接。⑦點擊Create Solid from Iso-thickness areas標識生成實體鋪層（如圖1所示）。

圖1　網格法鋪層設計流程

2　MBD表達技術

通過CATIA的CPD模塊進行參數化實體建模后，可以直觀地表達出產品的立體結構、鋪層信息，但無法表達必須的工藝信息（如設計基準、制造基準、尺寸精度、技術要求等非幾何信息），制造人員需要二維圖紙才能把零件加工出來。然而在三維模型在轉化為二維圖紙的過程中，難免出現(xiàn)信息不對應、表達不清晰等問題。

MBD技術在CPD設計技術的基礎上，將產品全生命周期中所需的幾何信息和非幾何信息，以注釋或屬性的方式附加到三維模型中，真正實現(xiàn)零圖紙、保證設計、制造的數據唯一性，提高設計及生產工作效率。

以復合材料結構的升降舵肋為例，為完整地表達設計要求及工藝信息，可將標注信息分成幾何信息和非幾何信息兩類。其中，幾何信息包括基準貼膜面、鋪層坐標系、鋪層信息、材料信息、幾何圖形公差、粗糙度等，可通過注釋或捕獲（如圖2所示）的方式表達。非幾何信息包括模型屬性、對稱信息、更改說明、通用注釋、零件注釋、旗注說明、熱表處理注釋、裝配注釋等信息，可直接標注在結構樹上（如圖3所示）。

圖2　幾何信息標注示意圖

圖3　非幾何信息標注示意圖

3　結束語

制造業(yè)是國民經濟的基礎產業(yè)，先進的材料和技術是制造業(yè)發(fā)展的核心。復合材料的整體化成型可有效提高生產、裝配效率，減少緊固件的使用，提高經濟效益。全復合材料結構的升降舵與金屬結構相比，減重效率達到26%，由此可見，復合材料的分析技術的應用可有效地促進我國航空事業(yè)的發(fā)展。

作者簡介：于萍（1987-），女，工程師，碩士研究生，任職于中航通飛研究院有限公司，從事飛機復合材料結構設計工作。