摘 要：針對復(fù)合材料長桁結(jié)構(gòu)件的變形修正問題，分別提出了離散布點(diǎn)與變角度修正的外形面修正方法、基于修正外形面的多區(qū)域等厚度偏置算法以及過渡區(qū)域自動分段橋接方法?；贑ATIA/CAA開發(fā)了復(fù)合材料零件變形修正系統(tǒng)，并以典型長桁零件數(shù)模為例進(jìn)行驗(yàn)證，分別記錄手動修正及自動修正所需時(shí)間，對比結(jié)果表明：提出的變形修正方法及開發(fā)的長桁變形修正系統(tǒng)能有效地提升回彈變形修正工藝數(shù)模的生成效率。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；長桁結(jié)構(gòu)件；變形修正；離散布點(diǎn)；多區(qū)域等厚度偏置

中圖分類號：V262.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Technical research on deformation correction of composites stringer parts

WANG Xiaokai，GUO Jungang，YUE Ming^*， HE Liang，HONG Xiaoming

［Aviation Industry Corporation of China （AVIC） Xi’an Aircraft Industry （Group） Co. Ltd.， Xi’an 710089，Shaanxi， China］

Abstract： According to the deformation correction of the composite stringer parts，the shape surface correction method of discrete distribution point and variable angle，the multi-region thickness offset algorithm based on the modified shape surface and the automatic segment bridging method of transition area are proposed respectively. The deformation correction system of composite material parts was developed based on CATIA/CAA，and then the digital modules of stringer parts were used as an example for verification，the time of manual correction and automatic correction were recorded respectively. The comparison results show that the proposed deformation correction method and the developed stringer deformation correction system can effectively improve the generation efficiency of the spring-back deformation correction process.

Key words： composite materials; stringer part; deformation correction; discrete distribution points; multi-region thickness offset algorithm

0 引 言

復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車、船舶及航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用^［1］。特別是在航空領(lǐng)域，復(fù)合材料在飛機(jī)中的使用量以及復(fù)合材料在飛機(jī)整體材料中所占的比例已成為衡量現(xiàn)代飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)^［2］。隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的不斷提高，復(fù)合材料的使用量迅速增加并逐步完成了從附屬結(jié)構(gòu)件到次承力構(gòu)件再到主承力構(gòu)件的過渡^［3］。作為飛機(jī)的縱向承力構(gòu)件之一，飛機(jī)長桁結(jié)構(gòu)件廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)翼身結(jié)構(gòu)中，是飛機(jī)重要的結(jié)構(gòu)組件之一^［4］。長桁結(jié)構(gòu)件通常具有復(fù)雜的外形，且使用時(shí)需要滿足相關(guān)裝配設(shè)計(jì)環(huán)境定位基準(zhǔn)的約束。復(fù)合材料長桁結(jié)構(gòu)件的變形對其形狀及裝配精度產(chǎn)生重要的影響，且存在殘余應(yīng)力和不良密封的質(zhì)量缺陷，進(jìn)而影響飛機(jī)的整體性能。因此，復(fù)合材料長桁結(jié)構(gòu)件的變形控制及修正是復(fù)合材料制造環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)之一^［5］。

傳統(tǒng)的桁條設(shè)計(jì)通常由飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)人員手工完成，需要查閱大量設(shè)計(jì)手冊且設(shè)計(jì)流程不統(tǒng)一，從而導(dǎo)致建模效率低^［6］。以目前廣泛使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維建模軟件CATIA為例，CATIA軟件尚無專門面向長桁結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)模塊，完全依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)習(xí)慣在幾何層面上繪制，且當(dāng)前現(xiàn)有的CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)都不能給設(shè)計(jì)者提供一種能方便地按照期望設(shè)計(jì)約束修改設(shè)計(jì)模型的、具有友好用戶界面的設(shè)計(jì)環(huán)境^［7］。這種傳統(tǒng)的三維模型設(shè)計(jì)方法沒有針對長桁結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)提出定制化的解決方案，嚴(yán)重制約著該類結(jié)構(gòu)件造型質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的提高。從而導(dǎo)致當(dāng)前的長桁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著建模效率低；設(shè)計(jì)流程不統(tǒng)一、建模造型方法不規(guī)范；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)知識集成性差、重復(fù)查詢和輸入工作量大；設(shè)計(jì)智能化程度不高、模型與設(shè)計(jì)環(huán)境關(guān)聯(lián)性不佳等問題。

本文以飛機(jī)復(fù)合材料長桁結(jié)構(gòu)件為研究對象，通過分析長桁結(jié)構(gòu)件的外形面、圓角區(qū)、內(nèi)形面及其圓弧邊界線等基本特征及其修正的主要難點(diǎn)，提出了基于外形交叉線離散布點(diǎn)的外形面修正的方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了基于修正外形面的多區(qū)域等厚度偏置算法。針對內(nèi)形面的修正問題，提出了基于過渡區(qū)自動分段橋接的內(nèi)形面修正方法。基于CATIA/CAA二次開發(fā)技術(shù)，融合了常用的曲面處理方法及容錯(cuò)思路，規(guī)范了工藝數(shù)模的生成步驟，實(shí)現(xiàn)了長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形修正系統(tǒng)開發(fā)。之后以三種典型的長桁類復(fù)合材料零件為例，驗(yàn)證了開發(fā)系統(tǒng)的有效性，實(shí)現(xiàn)了長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件工藝數(shù)模的快速化、規(guī)范化變形修正。

1 長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件基本特征及變形修正難點(diǎn)

1.1 長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件基本特征

長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件具有更輕的質(zhì)量，同時(shí)保證了較高的強(qiáng)度和剛度，在降低飛機(jī)的整體質(zhì)量的同時(shí)能夠承受更大的載荷，提高飛機(jī)的安全性和可靠性。典型長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件如圖1所示。

長桁類復(fù)合材料零件主要由外形面、外腹板面、外圓角面、內(nèi)形面、內(nèi)腹板面以及內(nèi)圓角面等部分組成，且內(nèi)形面存在過渡區(qū)以及不等厚區(qū)域。

1.2 變形修正的主要難點(diǎn)

根據(jù)長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件內(nèi)外形面的基本特征，變形修正時(shí)存在的難點(diǎn)總結(jié)如下。

（1） 生成外形面需要在外形交叉線（長桁外形面的外插延伸面與長桁占位面的外插延伸面交線）上布點(diǎn)，且需要在布點(diǎn)處生成外形交叉線的法平面，并利用生成的法平面對長桁外形面進(jìn)行切割。然后將切割后的曲面及其邊界線作為輸入元素，按外形變形的方法進(jìn)行修正。但是長桁外形面中的碎面，以及外形面圓弧邊界線的碎線較多且切線不連續(xù)，需要拾取或輸入的元素過多，人機(jī)交互性較差；

（2） 在生成外形面的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步生成內(nèi)形面才能構(gòu)造工藝數(shù)模。在保證長桁工藝數(shù)模特征與原始數(shù)模的厚度及邊界輪廓尺寸基本一致的前提下，如何修正內(nèi)形面的過渡區(qū)域與等厚區(qū)域也成為一項(xiàng)急需解決的難點(diǎn)問題。

2 長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形修正算法

2.1 修正方案及流程

針對上述長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的基本特征及其在變形修正過程中的主要難點(diǎn)，長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形修正包括外形面修正及內(nèi)形面修正兩部分。對于長桁外形面的變形修正，可以通過獲取長桁外形面及占位面得到外形交叉線，并在外形交叉線上均勻布點(diǎn)，在布點(diǎn)處生成外形交叉線的法平面。利用生成的法平面對長桁外形面進(jìn)行分割，獲得用于外形變形的輸入元素。之后，通過輸入回彈角度值，對長桁外形面進(jìn)行回彈修正。長桁外形面變形修正總體流程如圖2所示。

依據(jù)修正后的長桁外形面進(jìn)行長桁內(nèi)形面修正，通過拾取長桁內(nèi)形面的圓角邊界線將內(nèi)形面進(jìn)行分割，并對分割后的內(nèi)形面依據(jù)分區(qū)域等厚度偏置算法進(jìn)行偏移和倒圓角操作，最后再對偏移后的內(nèi)形面進(jìn)行自動分段橋接，形成修正后的完整內(nèi)形面。長桁內(nèi)形面變形修正總體流程如圖3所示。

2.2 變形修正算法

針對長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的基本特征及變形修正中的主要難點(diǎn)，提出長桁類復(fù)合材料零件的變形修正及工藝數(shù)?？焖僭O(shè)計(jì)算法，主要步驟包括：獲取曲面信息、輸入回彈補(bǔ)償參數(shù)、長桁工藝數(shù)模外形面的建立、長桁工藝數(shù)模內(nèi)形面的建立以及長桁工藝數(shù)模的建立。

2.2.1 離散布點(diǎn)及變角度修正外形面

將長桁外形面定義為SurfaceW，將長桁占位面定義為SurfaceZ，分別將長桁外形面及占位面進(jìn)行外插延伸得到外形面的外插延伸面SurfaceW_Extend以及占位面的外插延伸面SurfaceZ_Extend。將得到的外插延伸面求交獲得其外形交叉線LineG_Intersect如下：

LineG_Intersect=SurfaceW_Extend∩SurfaceZ_Extend（1）

在獲得的外形交叉線上任意選取一端作為起始端并根據(jù)輸入的布點(diǎn)數(shù)量n進(jìn)行均勻布點(diǎn)，將外形交叉線的長度記為L_LineG，其中第m個(gè)點(diǎn)距離外形交叉線起始端的距離

l=L_LineGn+1×m。（2）

過外形交叉線LineG_Intersect上的各個(gè)離散點(diǎn)構(gòu)建外形交叉線LineG_Intersect的法平面Plane_normal，法平面與外形面相交即可得到外形參考線Line_Reference表示如下：

Line_Reference=SurfaceW∩Plane_normal（3）

將獲得的參考線Line_Reference沿法平面Plane_normal繞外形交叉線LineG_Intersect旋轉(zhuǎn)回彈角度值，得到目標(biāo)線如下：

其中，將外形交叉線LineG_Intersect作為y軸，旋轉(zhuǎn)前線段末端坐標(biāo)記為（x，y，z），旋轉(zhuǎn)后線段末端坐標(biāo)記為（x′， y′， z′）。

根據(jù)獲取的參考線集、目標(biāo)線集以及長桁外形面，通過外形漸變構(gòu)造新的外形面，如圖4所示。

2.2.2 基于修正外形面的多區(qū)域等厚度偏置算法生成內(nèi)形面

根據(jù)長桁結(jié)構(gòu)特征分析可知，長桁內(nèi)形面包括直邊等厚區(qū)和過渡圓角區(qū)。針對等厚區(qū)的變形修正問題，按照建立的坐標(biāo)系，拾取區(qū)域邊界線，并在拾取的圓角邊界線的中點(diǎn)建立平面。依據(jù)拾取的圓角線的中心相對坐標(biāo)，采用冒泡法對拾取的圓角線進(jìn)行排序，其中冒泡法排序的基本流程如圖5所示。

基于冒泡排序法依次測量拾取的圓角邊界線與外形面的距離并將外形面等距偏移，再將圓角線向兩側(cè)外插延伸后投影到偏移面，用投影線分割外形面偏移面，構(gòu)造工藝數(shù)模內(nèi)形面等厚區(qū)。內(nèi)腹板面有與凸緣內(nèi)形面過渡區(qū)對應(yīng)的狹長區(qū)域，篩選出狹長區(qū)域，其余內(nèi)腹板碎面分組接合后，與其對應(yīng)的等厚區(qū)一并作為簡單圓角的輸入元素?；诙址ㄟM(jìn)行插值查找，構(gòu)造過程中將查找點(diǎn)改為自適應(yīng)選擇，提高查找效率。插值查找公式：

y_mid=y_min+y－y_miny_max－y_min×（max－min）（5）

式中，y_mid表示中點(diǎn)的坐標(biāo)值，y_max表示最大值，y_min表示最小值。

將曲面按質(zhì)心坐標(biāo)排序后，需要將第n個(gè)等厚區(qū)倒圓角的腹板接合面，查找該等厚區(qū)兩側(cè)的過渡區(qū)及其對應(yīng)內(nèi)腹板面數(shù)組元素，將該區(qū)域碎面全部接合即為所求面。生成內(nèi)形面所需拾取元素如圖6所示。

2.2.3 過渡區(qū)自動分段橋接

在長桁內(nèi)形面生成過程中，過渡區(qū)域可分為內(nèi)腹板面、圓角區(qū)和內(nèi)形面，在構(gòu)造工藝數(shù)模時(shí)，通常使用橋接曲面的方法生成內(nèi)形面。過渡區(qū)分段自動橋接算法基本流程圖如圖7所示。

首先需要先進(jìn)行圓角區(qū)的橋接，再進(jìn)行內(nèi)形面橋接和內(nèi)腹板面橋接。圓角面采用分段橋接的方法，通過獲得的圓角區(qū)進(jìn)一步拓?fù)洌页鰣A角區(qū)的邊界曲線Curve1、 Curve2。通過圓角邊界曲線，并按切線連續(xù)的方式獲得橋接區(qū)的邊界線，為避免整體橋接出現(xiàn)曲面畸變，通過Curve1、 Curve2的兩端點(diǎn)分別將兩端整體邊界線各分割為3段，即獲得兩段內(nèi)形面橋接線、圓角區(qū)橋接線以及內(nèi)腹板橋接線。將獲得的3段曲線分別進(jìn)行橋接，再將3個(gè)橋接面整體接合得到過渡區(qū)，如圖8所示。

3 實(shí)例驗(yàn)證

基于CATIA/CAA開發(fā)技術(shù)完成了飛機(jī)長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件回彈變形修正系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)的系統(tǒng)包括交互拾取模塊、回彈變形修正參數(shù)輸入模塊、外形面修正模塊、內(nèi)形面修正模塊以及實(shí)體工藝數(shù)模生成模塊。在導(dǎo)入長桁類復(fù)合材料零件后，通過調(diào)用長桁回彈變形修正模塊打開長桁類零件回彈變形修正界面，如圖9所示。

根據(jù)長桁類零件回彈變形修正界面中所示的具體功能，選取如圖10所示的3個(gè)復(fù)合材料長桁零件分別進(jìn)行手動操作和自動回彈修正。

對修正中的各操作步驟進(jìn)行計(jì)時(shí)，并選取3組計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)的平均值作為評價(jià)依據(jù)。其中，手動操作與自動回彈修正的主要操作步驟用時(shí)如表1所示。

由表1可知，在拾取貼膜面、拾取占位面及拾取圓角面時(shí)，手動操作需要人工尋找所需的型面，而在自動修正過程中，可編寫程序自動提取型面的特征。因此能有效地縮短操作時(shí)間，提升修正效率。采用開發(fā)的自動回彈修正系統(tǒng)進(jìn)行長桁零件回彈修正，有效地提升了修正及建模效率。

4 結(jié) 論

本文針對長桁類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件回彈修正問題，基于CATIA/CAA二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)了長桁類復(fù)合材料零件回彈修正系統(tǒng)。針對長桁類零件的主要特征，提出了基于外形交叉線離散布點(diǎn)的外形面變形修正方法。以準(zhǔn)確構(gòu)建變形修正工藝數(shù)模為目的，在分析內(nèi)形面構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上，提出了基于修正外形面的多區(qū)域等厚度偏置算法進(jìn)行直邊等厚區(qū)的修正，并對圓角區(qū)進(jìn)行自動橋接，完成了長桁內(nèi)形面的變形修正?；陂_發(fā)的零件回彈自動修正系統(tǒng)修正的長桁工藝數(shù)模，可進(jìn)一步為長桁零件模具的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。最后，以具體復(fù)合材料長桁零件數(shù)模為例進(jìn)行驗(yàn)證，通過對比手動變形修正與自動變形修正所用時(shí)間，證明了開發(fā)系統(tǒng)的便捷性，實(shí)現(xiàn)了變形修正數(shù)模的規(guī)范化及快速建立，有效地解決了拾取元素過多、工藝數(shù)模的建立及內(nèi)形面特征保留困難等關(guān)鍵問題。此外，將修正后的長桁工藝數(shù)模與實(shí)際生產(chǎn)的長桁零件進(jìn)行對比，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出修正方法及開發(fā)的回彈修正系統(tǒng)的有效性與可行性。

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