摘 要 本文介紹了航空航天常用夾層結(jié)構(gòu)蜂窩面板，針對(duì)蜂窩面板在成型時(shí)存在的問(wèn)題，根據(jù)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了復(fù)合材料蜂窩面板鋪層，基于FiberSIM軟件平臺(tái)，仿真模擬了復(fù)合材料蜂窩面板各鋪層，并生成激光投影數(shù)據(jù)供定位使用。建立了復(fù)合材料蜂窩面板的設(shè)計(jì)流程，針對(duì)復(fù)合材料蜂窩面板因鋪層角度不準(zhǔn)導(dǎo)致固化后易翹曲變形的問(wèn)題，在成型過(guò)程中借助激光投影儀提高鋪層角度精度，成型的復(fù)合材料蜂窩面板表面光滑，平面度高，四周無(wú)翹曲變形現(xiàn)象，無(wú)損探傷結(jié)果表明面板無(wú)分層現(xiàn)象，滿足蜂窩對(duì)面板的高質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞 蜂窩面板；碳纖維復(fù)合材料；FiberSIM；激光定位

Design and Application of Laser Projection Positioning Technology on Cellular Panel Based on FiberSIM

WANG Di1，ZHANG Song1，CHEN Haoran1，2，JING Jiaqi2，QU Guangyan2

（1.Military Representative Office of the Armament Department of the Rocket Force Stationed in Harbin， Harbin 150028;2.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In this paper， sandwich honeycomb panel commonly used in aerospace is introduced. In view of the problems existing in the forming of honeycomb panel， the composite honeycomb panel is designed according to the design criteria of composite honeycomb panel. Based on the FiberSIM software platform， each layer of composite honeycomb panel is simulated and the laser projection data is generated for positioning. The design process of the composite honeycomb panel was established. In view of the problem that the composite honeycomb panel was prone to warping deformation after curing due to the uneven layering angle， the laser projector was used to improve the layering angle accuracy during the molding process. The formed composite honeycomb panel had smooth surface， high flatness and no warping deformation around it. Meet the high quality requirements of cellular panels.

KEYWORDS honeycomb panel; carbon fiber composite; FiberSIM; laser positioning

1 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由上下薄面板與厚蜂窩通過(guò)膠膜膠接而成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、吸音、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，常用作飛機(jī)主、次承力結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、雷達(dá)罩、民用飛機(jī)地板、壁板、行李架、內(nèi)飾等部位［1］。纖維復(fù)合材料面板相較于金屬合金面板質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，與常用的Nomex紙蜂窩芯、玻璃布蜂窩芯的熱膨脹系數(shù)更為接近，在服役過(guò)程中，脫粘概率更低，且具有低介電、高透波特點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛［2-3］。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)對(duì)上下薄面板的表面平整度要求高，若面板平面度不夠，與蜂窩內(nèi)芯的膠接面會(huì)出現(xiàn)表面脫粘，影響蜂窩性能［4］。傳統(tǒng)的層合面板成型首先由工程師根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)鋪層，利用鋪層的正交各向異性和結(jié)構(gòu)的層合特性，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)選取最佳鋪層角度、鋪層百分比和鋪層順序，以獲得滿足強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)要求的最輕結(jié)構(gòu)［5］。 然后在制造車(chē)間，工人在模具上手工劃線定位各個(gè)鋪層角度，再根據(jù)所劃參考線鋪敷預(yù)浸料，將預(yù)浸料纖維方向?qū)?zhǔn)參考線，設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)鋪滿一層預(yù)浸料，進(jìn)行下一層鋪敷，所有鋪層完成后，在一定溫度和壓力下進(jìn)行固化，最后得到所需產(chǎn)品。這種手工劃線定位成型方法效率低，而且人工劃線誤差大，預(yù)浸料成型固化時(shí)容易造成層合板變形、翹曲等問(wèn)題，經(jīng)常不符合蜂窩面板的使用要求［6］。

本文針對(duì)上述存在的問(wèn)題，利用FiberSIM模擬仿真了復(fù)合材料蜂窩上、下面板的鋪層，將各個(gè)鋪層的仿真結(jié)果輸出為數(shù)據(jù)包，用于對(duì)接激光投影儀，制造車(chē)間再按照激光參考線進(jìn)行鋪敷，克服了傳統(tǒng)的人工劃線角度不準(zhǔn)帶來(lái)的誤差問(wèn)題，降低了工作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品精度和制造效率。并生成各個(gè)鋪層的鋪層平面展開(kāi)圖和鋪層信息表等，快速可視化各個(gè)鋪層鋪敷情況，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件從設(shè)計(jì)到制造的數(shù)字化流程。

2 國(guó)內(nèi)外FiberSIM使用情況

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料層合板鋪層設(shè)計(jì)方式的研究已經(jīng)有很多［7］，同時(shí)關(guān)于針對(duì)如何解決復(fù)合材料層合板變形后帶來(lái)的使用問(wèn)題也有廣泛研究［8-9］，但是針對(duì)復(fù)合材料成型過(guò)程中預(yù)浸料鋪層纖維方向如何精確定位的研究相對(duì)較少，并且目前針對(duì)鋪層定位準(zhǔn)確度影響層合板變形的文章，大多是給出原因分析，在實(shí)際工程運(yùn)用中如何規(guī)避尚不能完全解決［10］。

隨著復(fù)合材料制造工藝的發(fā)展， Cincinnati公司［11］開(kāi)發(fā)的ACRAPATH軟件可以實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入、軌跡生產(chǎn)、仿真和生成代碼等；西班牙M-Torres公司以CATIA為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了方便編程的CAD/CAM軟件模塊；法國(guó)Forest-Line公司［12］應(yīng)用TapeLay軟件能夠?qū)崿F(xiàn)鋪帶軌跡規(guī)劃線性的比較與仿真。目前在航空領(lǐng)域中，復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件FiberSIM的應(yīng)用最為廣泛，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)越來(lái)越多研究人員使用FiberSIM軟件設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。張玉華［13］針對(duì)一種特殊結(jié)構(gòu)形式“工”字梁，介紹基于CATIA軟件如何運(yùn)用FiberSIM快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，較傳統(tǒng)的二維軟件設(shè)計(jì)需要工人根據(jù)二維圖手工鋪貼的方式，設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，滿足復(fù)合材料的批量化生產(chǎn)。郝晶瑩［14］用 FiberSIM 軟件對(duì)復(fù)合材料模壓過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制造一體化的研究，成功應(yīng)用在某型擋塊零件上，快速完成了復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鋪層形狀和纖維方向可視化，并生成平面展開(kāi)圖樣，將裁割相關(guān)數(shù)據(jù)無(wú)縫連接到裁割機(jī)，減少了材料浪費(fèi)，縮短了工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，提高了尺寸精度，產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提高，在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)制造問(wèn)題并采取相應(yīng)的糾正措施。孫義亮［15］利用FiberSIM軟件對(duì)汽車(chē)用復(fù)合材料件進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)分析，完成數(shù)據(jù)輸出實(shí)現(xiàn)部件的設(shè)計(jì)制造一體化。從力學(xué)性能、生產(chǎn)效率、成本三方面對(duì)比傳統(tǒng)復(fù)合材料部件生產(chǎn)方法，確定使用FiberSIM軟件具有力學(xué)性能優(yōu)異、降低成本、提高效率的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)及制造的數(shù)字化流程。秦曉宇［16］利用 FiberSIM 軟件進(jìn)行油底殼結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)，探討盒類(lèi)復(fù)雜件的鋪層裁剪方案，分別對(duì)碳纖維復(fù)合材料油底殼結(jié)構(gòu)的 0°，90°，-45° 和 45° 的鋪層進(jìn)行鋪覆可行性分析，對(duì)不滿足鋪覆可行性的鋪層分別使用剪口和分塊方案并評(píng)估，最終依據(jù)不合格率和完整度兩項(xiàng)指標(biāo)確定剪口方案為最佳方案。

3 FiberSIM仿真模擬蜂窩面板鋪層

復(fù)合材料蜂窩上、下面板鋪層角度的設(shè)計(jì)考慮零件在工況載荷下的強(qiáng)度和剛度要求，可以設(shè)計(jì)任意方向鋪層，但過(guò)多的角度的鋪層會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的繁瑣，考慮到簡(jiǎn)化制造工藝，蜂窩面板采用四個(gè)角度的鋪層，即 0°，90°，±45°鋪層，各角度鋪層的體積分?jǐn)?shù)為25%，且±45°鋪層接近，以減少層壓板的彎扭耦合，避免對(duì)層壓板有效剛度和穩(wěn)定性的影響［17-18］。本文設(shè)計(jì)的蜂窩面板厚度1.6 mm，單層預(yù)浸料厚度0.11 mm，鋪層采用（0°/90°/+45°/-45°）循環(huán)鏡像鋪放。

在準(zhǔn)備好的零件數(shù)模實(shí)體中提取模具上表面為貼膜面，對(duì)貼膜面提取邊界作為設(shè)計(jì)邊界，對(duì)設(shè)計(jì)邊界向外拓展10 mm作為制造邊界，再用接合功能將貼膜面接合，注意曲面方向?yàn)殇亴由L(zhǎng)方向。選取貼膜面中心作為鋪層原點(diǎn)，以鋪層原點(diǎn)為頂點(diǎn)向x軸做一條直線，定義為0°方向，完成所有命令貼膜面如圖1所示。

3.1 創(chuàng)建蜂窩層合板幾何要素

（1）層合板Laminate創(chuàng)建

進(jìn)入FiberSIM模塊，首先創(chuàng)建層合板，選中左側(cè)功能樹(shù)上的Liminate，在面板右側(cè)空白處右擊create new，design boundary選擇extend，依次將已經(jīng)創(chuàng)建的貼膜面、設(shè)計(jì)邊界、制造邊界鏈接到geometry中，material選擇材料庫(kù)中的T-6-in。

（2）坐標(biāo)系Rosette創(chuàng)建

創(chuàng)建坐標(biāo)系，選中左側(cè)功能樹(shù)上的Rossete，在面板右側(cè)空白處右擊create new，貼膜面surface自動(dòng)選擇已創(chuàng)建的層合板，origin鏈接數(shù)模中的鋪層原點(diǎn)，direction鏈接數(shù)模中的0°方向，mapping type選擇standard。

（3）鋪層Ply創(chuàng)建

最后創(chuàng)建鋪層，鋪層為（0°/90°/+45°/-45°）ns，所以只需創(chuàng)建（0°/90°/+45°/-45°）四個(gè)鋪層然后循環(huán)、鏡像即可。在面板右側(cè)空白處右擊create new，working boundary選擇extend，name自動(dòng)為P001，material自動(dòng)為T(mén)-6-in，parent選擇已創(chuàng)建的層合板LAM001，Rossete自動(dòng)為R0S001，specified orientation依次選0°、90°、+45°、-45°，sequence、step與name依次對(duì)應(yīng)（10、20、30、40），最后選中所有鋪層0°、90°、+45°、-45°，運(yùn)行拓展邊界制造可行性分析，返回Catia三維圖發(fā)現(xiàn)已經(jīng)真實(shí)模擬出了復(fù)合材料成型模具上的各鋪層鋪貼情況，層合板Laminate、坐標(biāo)系Rosette、鋪層Ply創(chuàng)建完成后如圖2所示。

3.2 FiberSIM鋪層數(shù)據(jù)導(dǎo)出

將FiberSIM模擬完各個(gè)鋪層后生成的鋪層二維展開(kāi)圖，鋪層信息表和激光投影數(shù)據(jù)依次導(dǎo)出，鋪層信息表中包括鋪層材料、鋪層角度、鋪層順序等信息，二維展開(kāi)圖對(duì)接裁床，導(dǎo)出方法為選中所有鋪層，進(jìn)行鋪層展開(kāi)圖生成操作Extend Flat Pattern，然后選中菜單欄File下的Export，選Flat Pattern Export，導(dǎo)出為裁床可識(shí)別的二維文件即可。激光投影數(shù)據(jù)導(dǎo)出方法與二維展開(kāi)圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出相似，選中所有鋪層，然后選中菜單欄File下的Export，選Laser Projection，導(dǎo)出為激光投影儀可識(shí)別的文件即可，操作人員根據(jù)激光輪廓和角度線進(jìn)行鋪貼，避免了傳統(tǒng)的工藝文件不夠詳細(xì)造成的二義性問(wèn)題［19］。激光投影數(shù)據(jù)直接對(duì)接激光投影儀，激光投影儀可在模具上投映出鋪層定位方向、鋪層輪廓等，提高了鋪放角度的精度，縮短了工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。平面展開(kāi)圖數(shù)據(jù)無(wú)縫連接到車(chē)間裁床直接裁剪預(yù)浸料，省去了人工裁料的步驟，節(jié)省了材料。鋪層信息表顯示所有鋪層信息，包括鋪層角度、鋪層材料、鋪層順序等，提高了產(chǎn)品尺寸精度，產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提高。

4 試驗(yàn)

4.1 原材料及設(shè)備

纖維：T700級(jí)碳纖維，日本東麗公司；樹(shù)脂：環(huán)氧648，無(wú)錫樹(shù)脂廠；預(yù)浸料：自制，單層厚度0.15 mm，樹(shù)脂含量40%；蜂窩芯：芳綸紙蜂窩；蜂窩膠粘劑：J256，黑龍江省石油化學(xué)研究院；水性脫模劑。

設(shè)備：固化爐，真空泵，用于真空固化的脫模布、真空袋、密封膠條等輔助材料。

4.2 蜂窩面板成型

在設(shè)計(jì)好的金屬平板模具上涂敷脫模劑并靜置30min，此步驟確保脫模劑已經(jīng)均勻分布在模具表面，以防脫模時(shí)復(fù)合材料與模具粘接而導(dǎo)致分層［20、21］，同時(shí)將碳纖維預(yù)浸料預(yù)先按照模擬出的鋪層角度用裁床裁好，備用，將FiberSim仿真后的激光投影文件用投影儀打開(kāi)，每層預(yù)浸料纖維方向?qū)?zhǔn)重合激光投影光線鋪敷，每鋪敷完成一層預(yù)浸料，需操作人沿著預(yù)浸料纖維方向按壓趕出預(yù)浸料層間氣泡，以獲得復(fù)合材料更好的力學(xué)性能，實(shí)際操作過(guò)程見(jiàn)圖3。

最后將預(yù)浸料鋪敷完成的模具依次放置脫模布、密封膠條、真空袋等，抽真空固化，環(huán)氧樹(shù)脂的固化制度為130℃/5h，固化結(jié)束后，層合板隨爐冷卻，以防因溫度驟變而導(dǎo)致層合板翹曲變形。

4.3 蜂窩面板脫模

將固化完成的蜂窩面板從模具上取下，面板表面光滑，周?chē)鸁o(wú)翹曲變形現(xiàn)象，無(wú)損探傷顯示層合板無(wú)分層，說(shuō)明鋪層設(shè)計(jì)合理并且實(shí)際成型工藝與模擬結(jié)果較吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探索了FiberSIM工藝仿真蜂窩面板鋪層，基于FiberSIM的激光投影定位技術(shù)對(duì)于提高鋪層角度精度，降低尺寸變形等方面在工程運(yùn)用中具有重要意義，為行業(yè)內(nèi)復(fù)合材料制造自動(dòng)化、數(shù)字化做出了參考，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造一體化，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。研究得出以下結(jié)論：

（1）利用復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件FiberSIM仿真模擬了蜂窩面板各角度鋪層纖維走向，并生成平面展開(kāi)圖、鋪層信息表和激光投影數(shù)據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中具有實(shí)際操作性。

（2）預(yù)浸料鋪敷成型過(guò)程中成功應(yīng)用激光定位系統(tǒng)，復(fù)合材料蜂窩面板成型抽真空固化后產(chǎn)品表面光滑、平面度高，無(wú)翹曲變形現(xiàn)象，說(shuō)明激光投影系統(tǒng)對(duì)于平板類(lèi)產(chǎn)品具有提高精度的優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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通訊作者：陳浩然，男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料工藝設(shè)計(jì)。E-mail：13796677962@163.com