李 晨 陳 程 金沙亮 高麗敏

（1 中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術(shù)研究中心結(jié)構(gòu)完整性研究部，北京 102211）

（2 中國商飛北京民用飛機技術(shù)研究中心民用飛機結(jié)構(gòu)與復合材料北京市重點實驗室，北京 102211）

（3 北京航空航天大學，北京 100191）

0 引言

先進復合材料由于具備高的比模量和比強度、耐腐蝕性能、抗疲勞性能好、設計和制造一體化成型等諸多優(yōu)點，而被廣泛應用于航空、航天、交通運輸、能源和建筑等行業(yè)。復合材料在民機結(jié)構(gòu)件上的應用比例不斷上升，并已成為衡量民機先進性的重要指標［1］。在復合材料飛機結(jié)構(gòu)靜強度、疲勞強度、損傷容限和運行維護等全生命周期的設計和適航審定中，材料許用值和設計許用值是設計和審定的關(guān)鍵依據(jù)。材料許用值是在大量試樣試驗數(shù)據(jù)基礎上，統(tǒng)計分析后確定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值［2］。因此，合理確定材料許用值和設計許用值，是確保復合材料結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性的基礎。

不同于金屬材料力學性能數(shù)據(jù)的獲得，由于復合材料的非均勻性、各向異性以及材料參數(shù)的變異性，對復合材料的驗證方法主要通過積木式試驗（Building block approach）或稱試驗金字塔（Test pyramid）的方法進行的，一個典型的復合材料飛機結(jié)構(gòu)積木式試驗各級試驗規(guī)劃如圖1所示［3］。

圖1 典型的積木式試驗驗證組合Fig.1 A typical combination of building block test

民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)的設計許用值是飛機設計人員進行復材材料結(jié)構(gòu)設計需要考慮的重要依托數(shù)據(jù)，也是美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）AC20-107B咨詢通報建議的復合材料結(jié)構(gòu)積木式試驗驗證的重要組成部分，往往需要上千件的試樣件級試驗用于確定復合材料的設計許用值，是復合材料結(jié)構(gòu)設計的基礎，也是復合材料結(jié)構(gòu)符合CCAR-25-R4 25.613 條款的試驗依據(jù)［3］。如圖2所示為一個典型的復合材料積木式試驗各級試驗件數(shù)量規(guī)劃，不同級別的試驗件數(shù)量存在著量級間的差異。

圖2 積木式試驗各級試驗件數(shù)量規(guī)劃Fig.2 Quantity planning of building block test specimens at all levels

ASTM 標準一般常被用作試驗件級試驗的通用標準，而在這些試樣件級試驗中，包含大量旁路擠壓壓縮試驗，需要使用壓縮防失穩(wěn)夾具，以對試驗件面外變形進行限制，來獲得材料壓縮性能。對試驗夾具的設計和制造提出了更高的要求。ASTM D7248 D7248M-12（R 2017）標準規(guī)定了聚合物基復合材料旁路擠壓試驗方法。許用值試驗中的壓縮試驗，必須使用壓縮防失穩(wěn)夾具，以對試驗件面外變形進行限制。而許多試驗件的整體外形相似，只存在尺寸上的差異。目前，常用的夾具設計方法是在CATIA等建模軟件環(huán)境中對夾具的各個構(gòu)件分別進行建模，最后將各夾具構(gòu)件以裝配體形式呈現(xiàn)形成完整的試驗夾具。其中，裝配體中各夾具構(gòu)件和試驗件的裝配關(guān)系靠手動約束完成，尺寸、公差配合等信息則需要由三維模型轉(zhuǎn)換到二維圖紙后進行標記，進而交付制造。在試驗件夾具的設計和制造過程中即使針對相似夾具結(jié)構(gòu)也需要試驗設計人員手工重復對夾具進行建模畫圖和制造，耗費大量精力，也容易造成細節(jié)上如公差或尺寸配合上的錯誤。

目前國外對于將CATIA 二次開發(fā)手段應用于工程實踐中的報道較少，國內(nèi)在航空航天、汽車、水利等領(lǐng)域有學者進行了相關(guān)應用研究，張信淋等［4］以飛機典型零件為建模對象，研究了借助CATIA 二次開發(fā)的快速建模技術(shù)，樓濤等［5］基于CATIA 3DEXPERIENCE 平臺構(gòu)建了水利拱壩結(jié)構(gòu)的快速建模方法。張溥海［6］采用CAA 進行CATIA 二次開發(fā)研究了組合夾具的設計方法。但針對復合材料試件級試驗進行CATIA二次開發(fā)等研究工作還較為罕見。

本文針對復合材料許用值旁路擠壓試驗夾具在設計建模過程中存在的典型結(jié)構(gòu)重復性問題，基于CATIA二次開發(fā)技術(shù)開展MBD信息三維標注參數(shù)化設計研究，提出并建立一種復合材料許用值旁路擠壓試驗的夾具參數(shù)化設計程序，以減少設計人員進行重復繁雜的建模工作，提高設計準確性和制造效率和標準化程度。

1 復合材料旁路擠壓試驗流程及夾具設計信息

1.1 復合材料旁路擠壓試驗設計典型流程

一個有代表性的復合材料旁路擠壓試驗設計流程如圖3所示。由試驗任務書依次分解不同試驗的構(gòu)型，根據(jù)不同試驗科目如果需要壓縮防失穩(wěn)夾具則需要對試驗構(gòu)型參數(shù)如：幾何尺寸、連接構(gòu)型、壓縮量要求等進行確定，進而進行壓縮夾具的設計、制造和驗收。

圖3 復合材料旁路擠壓試驗設計流程Fig.3 Design process of composite materials bypass interaction test

1.2 旁路擠壓試驗夾具設計信息

ASTM D7248標準中規(guī)定了復合材料50%旁路擠壓耦合方法B（試驗項目代碼BP50，如圖4所示）和75%旁路擠壓耦合方法C（試驗項目代碼BP50，如圖5所示）。試驗夾具主要包括支持板、墊塊、短夾板、長夾板等。同時，由于試驗夾具起到將試驗臺產(chǎn)生的機械激勵如實的傳遞到試驗件的作用，標準明確指出了加工的工藝精度等將對試驗結(jié)果產(chǎn)生重要影響，因此規(guī)定了在對試驗夾具的設計時，夾具螺栓孔的形位公差及夾具板面的粗糙度等重要的加工信息。

圖4 支持夾具組合件（BP50）Fig.4 Supporting fixture assembly（BP50）

圖5 支持夾具組合件（BP75）Fig.5 Supporting fixture assembly（BP75）

表1中總結(jié)了BP50 試驗夾具的配置參數(shù)，端距比、寬度直徑比、直徑厚度比、緊固件擰緊力矩、緊固件或銷釘材料、緊固件或銷釘間隙、沉頭角度和沉頭深度、墊圈類型（若使用）、匹配材料類型和支持夾具類型等都將直接影復合材料層壓板擠壓/旁路干涉響應效果。對于此類數(shù)量極大的標準試驗，一個參數(shù)的改變不會導致整個試驗夾具構(gòu)型的重大變化，但卻需要對夾具設計和裝配體進行大量的修改工作。

表1 BP50試驗夾具配置參數(shù)Tab.1 Parameters setup for the fixture of BP50 test

2 基于模型定義數(shù)據(jù)集的CATIA二次開發(fā)技術(shù)

基于模型定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)，是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進的數(shù)字化定義方 法［7］，也 是 實 現(xiàn)MBSE（Model Based Systems Engineering）的重要技術(shù)路徑［8］。CATIA是航空工業(yè)最常用的制圖和建模軟件，對CATIA進行二次開發(fā)可以減少工作中重復的勞動，集成專業(yè)人員的設計經(jīng)驗，適用于對典型結(jié)構(gòu)或裝配體的快速建模［6］。

2.1 MBD的試驗夾具數(shù)據(jù)集

MBD技術(shù)是在三維數(shù)字化模型的基礎上，通過集成的三維實體模型來表達產(chǎn)品的完整定義信息，從而消除或者減少二維圖紙的使用，將原來定義在二維圖紙上的幾何形狀信息、尺寸與公差以及工藝信息等產(chǎn)品信息共同定義到產(chǎn)品模型中，并詳細規(guī)定了三維數(shù)模中產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法［9］，如圖6所示。對于旁路擠壓試驗夾具設計的MBD數(shù)據(jù)集主要包括表1中所列出的信息涵蓋幾何信息：各個夾具零件的基本幾何尺寸信息；三維標注信息：公差和配合關(guān)系，以及材料和制造工藝如粗糙度、垂直度和平面度要求等屬性信息。

圖6 MBD數(shù)據(jù)集所包含內(nèi)容Fig.6 Information involved in MBD dataset

2.2 CATIA二次開發(fā)技術(shù)

CATIA 的二次開發(fā)可以使建模軟件的功能更符合設計人員使用的便捷性、高效率，同時便于標準化的開展。CATIA軟件接口允許支持COM 組件或程序進行訪問操作，并通過進程內(nèi)應用程序（In-process Application）方式和進程外應用程序（Out-Process Application）兩種方式與外部程序通信。CATIA 提供了自動化應用接口（Automation API）支持采用VBScript腳本對CATIA進行二次開發(fā)，并允許開發(fā)者應用Visual Basic 設計直觀的用戶界面。CATIA 通過輸入的參數(shù)驅(qū)動代碼運行并進行建模。一個基于Visual Basic 語言的完整的CATIA 二次開發(fā)技術(shù)流程如圖7所示。

圖7 基于VB的CATIA二次開發(fā)技術(shù)流程Fig.7 VB based CATIA secondary development

在CATIA 運行環(huán)境下可以采用宏（Macro）錄制的方式生成VBScript 腳本，通過對結(jié)構(gòu)相關(guān)幾何參數(shù)的修改，可以生成相應的程序代碼。但運行宏時，CATIA 就處于禁用狀態(tài)，因此不能通過宏調(diào)用存儲的變量值，導致這種方式具有局限性，但卻為定制開發(fā)小型化的程序提供了便利。本文對試驗夾具每個零件進行CATIA 二次開發(fā)參數(shù)化建模，最后將生成的各個零件模型組裝成裝配體。裝配約束主要通過CATIA 中CreateReference 函數(shù)建立參考基準，繼而采用AddBiEltCst（創(chuàng)建兩個元素間約束）和AddTriEltCst（創(chuàng)建三個元素間約束）等函數(shù)進行裝配約束。

2.3 CATIA三維標注二次開發(fā)的實現(xiàn)

通過對CATIA 軟件功能標注對象（Functional Annotations Objects）模塊進行二次開發(fā)可以實現(xiàn)試驗夾具MBD信息的三維標注。CATIA 功能標注對象的構(gòu)成如圖8所示。

圖8 CATIA功能標注對象Fig.8 Functional annotation objects of CATIA

采用條件語句和循環(huán)語句選擇需要進行三維標注的邊線或特征，實現(xiàn)不同的三維標注功能的語句如下：

For i=1 To oSel.Count

Set oEdge1=oSel.Item（i）.Value

If i=3 Then

Set annotationSets1=part1.AnnotationSets

Set annotationSet1=annotationSets1.Add（"ISO_3D"）

Set userSurfaces1=part1.UserSurfaces

Set userSurface1=userSurfaces1.Generate（oEdge1）

Dim bSTR1

bSTR1=part1.Name

Set annotationFactory1=annotationSet1.AnnotationFactory

Set annotation1=annotationFactory1.CreateSemanticDimension（userSurface1，1，0）

End If

長夾具的三維標注的效果如圖9所示。

圖9 長夾具三維標注效果Fig.9 3D annotation effect of long fixture

3 復合材料旁路擠壓試驗夾具參數(shù)化設計

主要針對50%和75%旁路擠壓試驗夾具進行程序開發(fā)設計，整個程序的架構(gòu)如圖10所示，包含夾具設計主模塊和BP50、BP75 試驗夾具參數(shù)定義模塊，每種試驗夾具界面下又分為試驗構(gòu)型整體設計，試驗件設計和夾具設計3個子模塊。

圖10 旁路擠壓試驗夾具參數(shù)化設計程序架構(gòu)Fig.10 Parametric design program framework of bypass interaction test fixture

主設計模塊下包含BP75 和BP50 試驗夾具主要參數(shù)定義模塊，主要參數(shù)包括試驗件的圓孔直徑（D），試驗件的寬（W）與直徑（D）的比值a，復合材料的長度（L），長夾具和短夾具的側(cè)方長度（n）。其中，試驗件孔徑D和試驗件寬度W為關(guān)鍵尺寸基準，定義各零部件的尺寸和各零部件間的位置關(guān)系。

圖11 程序各個模塊Fig.11 All modules of the program

整個夾具設計程序通過參數(shù)輸入，由試驗件設計開始，進而對整套夾具的各個組成零件展開設計，自動在CATIA 中進行建模，最后形成裝配體模型并以二維圖紙格式和三維模型中性數(shù)據(jù)STEP 格式進行輸出。

4 應用實例和改進效果

采用本文方法和開發(fā)的程序?qū)P50 試驗中某種試驗件夾具進行建模。緊固件直徑D設為6.35 mm，W/D設為6，L=50 mm，c=4 mm，r=2 mm，m=15 mm，得到如圖12所示的輸出各個夾具零件的MBD模型、含標注信息的二維圖紙和夾具裝配體模型STEP文件。

圖12 試驗夾具裝配設計和程序輸出物Fig.12 Test fixture assembly design and output of the program

表2對比了現(xiàn)有方法和本文方法進行相同試驗夾具構(gòu)型設計的各因素的結(jié)果。傳統(tǒng)方法需要對夾具各組成零件逐一建模再進行裝配，而本文方法只需進行基本參數(shù)的輸入，極大的提高了設計效率。由于本文程序的開發(fā)基于ASTM 等相關(guān)試驗規(guī)定和標準開展，避免了建模中制圖的錯誤和對標準規(guī)范的忽視，程序相關(guān)錯誤在持續(xù)的優(yōu)化改進中也將逐漸減少，使得設計的準確率和標準合規(guī)率也得到了顯著的提升。

表2 現(xiàn)有試驗夾具建模方法與本文方法對比Tab.2 Comparison of test fixture setup approach between traditional method and this paper

5 結(jié)論

針對復合材料旁路擠壓試驗壓縮夾具設計，研究并提出了一種基于CATIA 二次開發(fā)技術(shù)包涵MBD數(shù)據(jù)集的試驗夾具信息表達方法，開發(fā)了含三維標注的試驗夾具快速參數(shù)化建模程序，通過對比分析和討論得出以下結(jié)論：

（1）確定試驗夾具的關(guān)鍵尺寸參數(shù)為試驗件孔徑D和試驗件寬度W，試驗夾具基本構(gòu)型和MBD 數(shù)據(jù)集信息全部尺寸鏈信息均基于此，可實現(xiàn)整個夾具信息鏈的完整閉環(huán)；

（2）采用本文提出的方法設計效率大幅提升的同時，符合ASTM D7248 D7248M—12 標準的規(guī)定，設計準確率和夾具標準化合規(guī)率均較現(xiàn)有方法提高5%～10%。