王宏

摘 要：由于復合材料具有一系列傳統(tǒng)材料無可比擬的優(yōu)點而在直升機裝備中得到廣泛的應用。但復材構件材料的可設計性以及成型工藝的特點，使得傳統(tǒng)復材構件產(chǎn)品研制周期長，設計過程反復更改?；贛BD復材構件的數(shù)字化集成設計，圍繞構件全生命周期展開，實現(xiàn)復材構件設計過程中數(shù)據(jù)的重用以及各個方面的交叉迭代，保持設計與分析，設計與制造高度的集成和一體化，提高復材構件質(zhì)量，降低開發(fā)成本。

關鍵詞：復材構件;三維設計;數(shù)字化

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.12.086

復合材料由于其一系列優(yōu)越性為生產(chǎn)重量輕、性能高的結構提供了令人矚目的機遇，在直升機上的用量也日益提高。復合材料的性能可設計性以及零件制造和材料成形同時完成的工藝特點，使復合材料構件的設計制造具有復雜性及獨特性。近年來，隨著MBD技術在直升機行業(yè)全面應用，復材構件已經(jīng)實現(xiàn)全三維模式下的設計和制造。但在實際應用過程中，各單位都在各自負責的型號研制過程中進行摸索，缺乏統(tǒng)一的認識和整體的考慮。

本文以當前直升機行業(yè)MBD全面應用為基礎，對復材構件數(shù)字化集成設計流程以及集成設計中幾項關鍵技術進行探討。初步介紹復材構件數(shù)字化集成設計各階段數(shù)據(jù)接口及交換形式，促進復材構件數(shù)字化設計、分析、制造的一體化。

1 基于MBD復材構件數(shù)字化定義

基于MBD復材構件數(shù)字化定義是以復材構件數(shù)字化集成設計為基礎，是按照復材構件逐層疊加的特點，采用數(shù)字化形式對復材構件進行完整描述的過程。如圖1所示，復材構件數(shù)字化定義模型包含基準數(shù)據(jù)、工程注釋、三維主模型、尺寸與公差數(shù)據(jù)。其中三維主模型是復材構件與金屬零件數(shù)字模型最大的不同。三維主模型包含貼模面和鋪層數(shù)據(jù)，鋪層數(shù)據(jù)是復材構件定義的核心，也是數(shù)字化集成設計中與分析和制造進行集成的基礎。

2 基于MBD復材構件數(shù)字化設計流程

基于MBD復材構件數(shù)字化集成設計的核心是在設計過程中數(shù)據(jù)的重用以及各個方面的交叉迭代，及時預測可能出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)設計、分析和制造的一體化。在基于MBD復材構件數(shù)字化集成設計中，首先，設計人員根據(jù)構件設計要求對構件成型方法和材料進行選擇，并在復材構件設計軟件中進行幾何建模，完成外形結構設計，同時進行初步有限元分析，確定材料鋪放表面;其次，根據(jù)設計經(jīng)驗完成鋪層設計，并在設計過程中進行詳細有限元分析，對鋪層設計結果進行優(yōu)化，完成模型三維標注和定義，進行制造模型發(fā)放;再次，工藝人員對復材構件制造模型進行可制造性分析，模擬纖維鋪放過程可能遇到工藝缺陷，并對設計進行反饋;最后，對鋪層數(shù)據(jù)進行展開，獲得下料數(shù)據(jù)及激光投影數(shù)據(jù)，或直接輸出自動鋪放設備程序代碼。典型基于MBD復材構件數(shù)字化設計流程如圖2所示。

3 復材構件設計與分析的數(shù)據(jù)集成

復材構件一般由不同的材料層片鋪疊而成，每個鋪層都具有不同的取向和形狀，這種結構形式為復材構件分析提出更高要求。利用復材構件設計和分析的集成，可將在復材建模軟件中鋪層形狀、位置以及纖維真實取向傳遞給分析軟件，進而實現(xiàn)更加有效的性能驗證仿真。但在實際應用過程中，結構設計部門使用CATIA進行三維建模，分析部門使用MSC.Patran進行有限元分析，不同部門之間軟件環(huán)境的差異，使得不同格式模型在不同部門間流轉中其準確性檢驗也變得困難。目前，可使用以下方法進行數(shù)據(jù)集成。

3.1 基于XML文件的材料鋪放數(shù)據(jù)的集成

XML文件按照一定的層次對鋪層材料、鋪層形狀、鋪層角度等材料鋪放數(shù)據(jù)進行描述，并采用一種三角面片近似表示鋪放表面信息。使用XML文件進行材料鋪放數(shù)據(jù)的集成，可以準確定義在制造狀態(tài)下真實的纖維路徑。在有限元軟件材料屬性定義中導入含有材料鋪層數(shù)據(jù)XML文件，使包含詳細制造數(shù)據(jù)的三角面片網(wǎng)格和有限元網(wǎng)格進行映射，實現(xiàn)設計軟件和分析軟件的材料鋪放數(shù)據(jù)的集成。

3.2 基于專用數(shù)據(jù)接口的材料鋪放數(shù)據(jù)的集成

Laminate Modeler是MSC.Patran中進行復合材料有限元建模的專用模塊。如圖3所示，可以將CATIA CPD中復合材料鋪放數(shù)據(jù)輸入到MSC.Patran中，然而，CATIA CPD和Partran數(shù)據(jù)接口形式，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向反復的迭代。Partran分析后獲得的修正結果無法再無縫導入CPD對鋪層設計進行調(diào)整。

4 復材構件設計與制造的數(shù)據(jù)集成

目前，直升機行業(yè)復材構件制造引入數(shù)字化設備主要有自動化下料設備、激光投影系統(tǒng)和自動鋪放設備。其中自動化下料設備、激光投影系統(tǒng)是最常用制造設備。

4.1 設計數(shù)據(jù)與下料設備的集成

專用數(shù)字化下料設備應用，大大提高下料的效率。如圖4所示，采用設計數(shù)據(jù)到排樣下料設備的集成，首先，數(shù)據(jù)轉換和排樣軟件接收基于MBD復材構件數(shù)字化定義數(shù)據(jù)生成的鋪層展開數(shù)據(jù);然后，在原材料寬度約束下對鋪層展開數(shù)據(jù)在二維平面內(nèi)排樣，利用控制軟件中自動排樣算法對排樣進行優(yōu)化;最后，排樣軟件根據(jù)排樣結果生成數(shù)控程序，輸入到剪裁設備進行預浸料的切割。復材構件設計數(shù)據(jù)與下料設備進行集成，可以大大減少不必要錯誤，提高效率。

4.2 設計數(shù)據(jù)與激光投影系統(tǒng)的集成

激光放樣系統(tǒng)由控制計算機、激光頭支架、激光發(fā)射頭、定位頭、系統(tǒng)校準激光反射片、逆向數(shù)字化激光牽引片和校驗工裝7部分組成。對于大型構件，單個激光頭無法滿足要求時，可以使用多個激光頭進行拼接投影。如圖 5所示，激光放樣數(shù)據(jù)主要由激光放樣數(shù)據(jù)和校準數(shù)據(jù)組成，激光放樣數(shù)據(jù)主要包含鋪層順序和編號非幾何信息以及鋪層邊界、起點和方向幾何信息。鋪層邊界通過提取鋪層形狀中一系列離散點組成，激光頭通過不斷對這些離散點掃描，完成鋪層形狀輪廓的投影。校準數(shù)據(jù)主要用于定義位于工裝上定位球來捕獲工裝與激光投影頭相對位置，進而可以自動調(diào)整放樣輪廓。在激光放樣數(shù)據(jù)被最應用車間生產(chǎn)前，還可以將激光放樣數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng)中，通過在鋪層邊界生成激光投影數(shù)據(jù)點來檢驗激光放樣數(shù)據(jù)是否正確，如果發(fā)現(xiàn)異常，可以對放樣數(shù)據(jù)進行重新生成。

5 結論

本文以當前直升機行業(yè)MBD全面應用為基礎，總結了基于MBD復材構件數(shù)字化定義的數(shù)據(jù)內(nèi)容和組織形式， 結合具體型號，梳理基于MBD復材構件數(shù)字化集成設計流程，提升企業(yè)復材構件數(shù)字化技術的應用水平，促進復材構件數(shù)字化設計、分析、制造的一體化。

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