基于FiberSIM的復合材料設計制造一體化技術探討

李林

摘 要 復合材料是材料與結構同時形成，材料性能與結構形式和工藝方法密不可分。傳統(tǒng)的模線/樣板模擬量工作法已不適合現(xiàn)代大型飛機整體零件的加工需求。基于FberSIM軟件的復合材料設計制造一體化技術，以數(shù)字量傳遞信息更加準確、高效，與自動下料系統(tǒng)和激光鋪層定位系統(tǒng)等的集成，打通了復合材料構件設計、工藝模擬、制造的數(shù)字化生產(chǎn)線。

關鍵詞 設計制造一體化;設計/制造數(shù)據(jù)轉化;數(shù)字化制造

復合材料有著良好的抗疲勞、抗腐蝕、可設計性和減重效果，其已成為先進飛機結構的必選材料。隨著飛機設計技術的飛速發(fā)展，復合材料結構也向著零件大型化、結構整體化方向發(fā)展。結構尺寸的增大和集成程度的增加，對制造工藝提出了很高的要求。本文以某民用飛機復合材料翼梁的研制，闡述復合材料數(shù)字化設計/制造技術。

1復合材料數(shù)字化設計制造一體化技術

與傳統(tǒng)的順行設計不同，數(shù)字化設計采用并行設計，對復合材料構件每一鋪層進行數(shù)字化定義，將復合材料構件產(chǎn)品數(shù)字化定義數(shù)據(jù)從設計初期傳遞至工裝設計、工藝設計、數(shù)字化剪裁設備和激光鋪層定位系統(tǒng)，利用計算機軟硬件及數(shù)字化設備，打通了復合材料構件從設計到制造過程的數(shù)據(jù)流[1]。

2復合材料翼梁設計

某民機中央翼盒翼梁由碳纖維預浸料鋪貼的[型層壓梁、共固化的2根水平加強筋和機械連接的4根垂直加強筋組成。

按結構形式，將層壓梁的腹板看作柔性層壓板，緣條看作剛性層壓板。根據(jù)經(jīng)典層壓板理論及鋪層設計原則，通過受力分析、計算，層壓梁劃分為9個厚度區(qū)域并得出相應區(qū)域理論鋪層總數(shù)。

通過對層壓梁腹板、緣條失效分析，逐步修正、迭代計算確定層壓梁幾何尺寸及各區(qū)域相應鋪層數(shù)、鋪層比例和鋪層順序的正確性[2]。

3翼梁的設計/制造數(shù)據(jù)轉化

翼梁三維模型建好后，可用于零件工裝的設計制造，同時關聯(lián)復合材料設計/制造軟件-FiberSim，完成基于三維模型的經(jīng)設計校核的每一鋪層的數(shù)字化定義。鋪層材料采用碳纖維單向帶預浸料，應用自動鋪貼工藝。

層壓梁鋪層劃分為9個厚度區(qū)域，相應會產(chǎn)生18個過渡區(qū)。zone1與zone3/4及zone2與zone3/5過渡區(qū)位于梁緣條圓角區(qū)，該位置是緣條與腹板受力過渡區(qū)且是鋪層固化成型易變形區(qū)，要求纖維鋪層過渡舒緩，故對該區(qū)域鋪層過渡按1：40鋪放，其他區(qū)域按1：20鋪層過渡。

利用軟件功能生成纖維鋪層片（ply），對生成的纖維層片進行工藝可行性分析。如有部分纖維變形過大，可采取優(yōu)化鋪放起始點、優(yōu)化拼接位置以及鋪層分開后連接等方法來消除纖維變形過大。優(yōu)化后的層壓梁纖維鋪層工藝可行性分析結果。

對已確定纖維鋪層片位置的層壓梁進行三維數(shù)字化標注（MBD），并生成鋪層表及鋪層片下料平面展開圖（Flat Pattern）。

通過FiberSim數(shù)據(jù)接口將鋪層位置、鋪放順序及鋪層片平面展開信息文件分別輸入到排樣系統(tǒng)、自動剪裁機、激光鋪層定位系統(tǒng)和自動鋪放機等制造設備，生成優(yōu)化排樣、下料、各鋪層精確定位以及纖維鋪放等程序文件。

對復合材料構件產(chǎn)品每一鋪層進行數(shù)字化定義，使設計人員在設計初期就能可視化鋪層形狀和工藝可行性，發(fā)現(xiàn)制造問題并采取相應的糾正措施，達到制件幾何、材料、工程要求及工藝要求之間的均衡，形成從設計到制造的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)各工種的并行工程。

4翼梁的數(shù)字化制造

由于翼梁結構尺寸大、變截面多且鋪層復雜，相比成型效率低的手工鋪疊工藝，自動鋪帶技術（ATL）與熱隔膜成型工藝（Hot Forming）相結合的方法，可實現(xiàn)大型平板類零件快速、高質(zhì)量的制造及固化成型。

5結束語

通過FiherSIM軟件進行數(shù)字化設計與制造技術改變了復合材料傳統(tǒng)的制造模式，由模擬量轉變?yōu)閿?shù)字量傳遞制造信息，體現(xiàn)了并行工程理念。數(shù)字化技術的成功應用，保證了復合材料零件數(shù)字化定義的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，縮短了產(chǎn)品制造周期，提升了設計準確性，降低了研制成本。

參考文獻

[1] 燕瑛，王正龍，劉秀芝. 復合材料結構數(shù)字化設計與工藝制造一體化技術研究及應用[J].航空制造技術，2007，（8）：44-48.

[2] 王詠梅.淺談國內(nèi)復合材料設計制造一體化技術[J].航空制造技術，2012，414（18）：49-52.