基于FiberSIM激光投影定位技術在蜂窩面板上的設計與應用

摘 要 本文介紹了航空航天常用夾層結構蜂窩面板，針對蜂窩面板在成型時存在的問題，根據復合材料鋪層設計準則設計了復合材料蜂窩面板鋪層，基于FiberSIM軟件平臺，仿真模擬了復合材料蜂窩面板各鋪層，并生成激光投影數據供定位使用。建立了復合材料蜂窩面板的設計流程，針對復合材料蜂窩面板因鋪層角度不準導致固化后易翹曲變形的問題，在成型過程中借助激光投影儀提高鋪層角度精度，成型的復合材料蜂窩面板表面光滑，平面度高，四周無翹曲變形現象，無損探傷結果表明面板無分層現象，滿足蜂窩對面板的高質量要求。

關鍵詞 蜂窩面板；碳纖維復合材料；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

蜂窩夾層結構由上下薄面板與厚蜂窩通過膠膜膠接而成，具有質量輕、強度大、抗失穩能力強、吸音、隔熱等優點，廣泛應用于航空領域，常用作飛機主、次承力結構，如機身、機翼、尾翼、雷達罩、民用飛機地板、壁板、行李架、內飾等部位［1］。纖維復合材料面板相較于金屬合金面板質量輕、比強度和比模量高、可設計性強，與常用的Nomex紙蜂窩芯、玻璃布蜂窩芯的熱膨脹系數更為接近，在服役過程中，脫粘概率更低，且具有低介電、高透波特點，故應用廣泛［2-3］。蜂窩夾層結構對上下薄面板的表面平整度要求高，若面板平面度不夠，與蜂窩內芯的膠接面會出現表面脫粘，影響蜂窩性能［4］。傳統的層合面板成型首先由工程師根據鋪層設計準則設計鋪層，利用鋪層的正交各向異性和結構的層合特性，通過優化設計選取最佳鋪層角度、鋪層百分比和鋪層順序，以獲得滿足強度、剛度等設計要求的最輕結構［5］。 然后在制造車間，工人在模具上手工劃線定位各個鋪層角度，再根據所劃參考線鋪敷預浸料，將預浸料纖維方向對準參考線，設計區域內鋪滿一層預浸料，進行下一層鋪敷，所有鋪層完成后，在一定溫度和壓力下進行固化，最后得到所需產品。這種手工劃線定位成型方法效率低，而且人工劃線誤差大，預浸料成型固化時容易造成層合板變形、翹曲等問題，經常不符合蜂窩面板的使用要求［6］。

本文針對上述存在的問題，利用FiberSIM模擬仿真了復合材料蜂窩上、下面板的鋪層，將各個鋪層的仿真結果輸出為數據包，用于對接激光投影儀，制造車間再按照激光參考線進行鋪敷，克服了傳統的人工劃線角度不準帶來的誤差問題，降低了工作人員的工作量和勞動強度，提高了產品精度和制造效率。并生成各個鋪層的鋪層平面展開圖和鋪層信息表等，快速可視化各個鋪層鋪敷情況，實現了復合材料構件從設計到制造的數字化流程。

2 國內外FiberSIM使用情況

目前國內外關于復合材料層合板鋪層設計方式的研究已經有很多［7］，同時關于針對如何解決復合材料層合板變形后帶來的使用問題也有廣泛研究［8-9］，但是針對復合材料成型過程中預浸料鋪層纖維方向如何精確定位的研究相對較少，并且目前針對鋪層定位準確度影響層合板變形的文章，大多是給出原因分析，在實際工程運用中如何規避尚不能完全解決［10］。

隨著復合材料制造工藝的發展， Cincinnati公司［11］開發的ACRAPATH軟件可以實現模型導入、軌跡生產、仿真和生成代碼等；西班牙M-Torres公司以CATIA為基礎開發了方便編程的CAD/CAM軟件模塊；法國Forest-Line公司［12］應用TapeLay軟件能夠實現鋪帶軌跡規劃線性的比較與仿真。目前在航空領域中，復合材料計算機輔助設計軟件FiberSIM的應用最為廣泛，近些年來國內越來越多研究人員使用FiberSIM軟件設計復合材料結構件。張玉華［13］針對一種特殊結構形式“工”字梁，介紹基于CATIA軟件如何運用FiberSIM快速、準確的進行鋪層設計，較傳統的二維軟件設計需要工人根據二維圖手工鋪貼的方式，設計更為簡單，滿足復合材料的批量化生產。郝晶瑩［14］用 FiberSIM 軟件對復合材料模壓過程進行了設計與制造一體化的研究，成功應用在某型擋塊零件上，快速完成了復合材料的鋪層設計，實現鋪層形狀和纖維方向可視化，并生成平面展開圖樣，將裁割相關數據無縫連接到裁割機，減少了材料浪費，縮短了工藝設計和生產周期，提高了尺寸精度，產品質量得到很大提高，在設計階段就發現制造問題并采取相應的糾正措施。孫義亮［15］利用FiberSIM軟件對汽車用復合材料件進行鋪層設計分析，完成數據輸出實現部件的設計制造一體化。從力學性能、生產效率、成本三方面對比傳統復合材料部件生產方法，確定使用FiberSIM軟件具有力學性能優異、降低成本、提高效率的優勢，實現了復合材料構件設計及制造的數字化流程。秦曉宇［16］利用 FiberSIM 軟件進行油底殼結構的鋪層設計，探討盒類復雜件的鋪層裁剪方案，分別對碳纖維復合材料油底殼結構的 0°，90°，-45° 和 45° 的鋪層進行鋪覆可行性分析，對不滿足鋪覆可行性的鋪層分別使用剪口和分塊方案并評估，最終依據不合格率和完整度兩項指標確定剪口方案為最佳方案。

3 FiberSIM仿真模擬蜂窩面板鋪層

復合材料蜂窩上、下面板鋪層角度的設計考慮零件在工況載荷下的強度和剛度要求，可以設計任意方向鋪層，但過多的角度的鋪層會導致設計的繁瑣，考慮到簡化制造工藝，蜂窩面板采用四個角度的鋪層，即 0°，90°，±45°鋪層，各角度鋪層的體積分數為25%，且±45°鋪層接近，以減少層壓板的彎扭耦合，避免對層壓板有效剛度和穩定性的影響［17-18］。本文設計的蜂窩面板厚度1.6 mm，單層預浸料厚度0.11 mm，鋪層采用（0°/90°/+45°/-45°）循環鏡像鋪放。

在準備好的零件數模實體中提取模具上表面為貼膜面，對貼膜面提取邊界作為設計邊界，對設計邊界向外拓展10 mm作為制造邊界，再用接合功能將貼膜面接合，注意曲面方向為鋪層生長方向。選取貼膜面中心作為鋪層原點，以鋪層原點為頂點向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 創建蜂窩層合板幾何要素

（1）層合板Laminate創建

進入FiberSIM模塊，首先創建層合板，選中左側功能樹上的Liminate，在面板右側空白處右擊create new，design boundary選擇extend，依次將已經創建的貼膜面、設計邊界、制造邊界鏈接到geometry中，material選擇材料庫中的T-6-in。

（2）坐標系Rosette創建

創建坐標系，選中左側功能樹上的Rossete，在面板右側空白處右擊create new，貼膜面surface自動選擇已創建的層合板，origin鏈接數模中的鋪層原點，direction鏈接數模中的0°方向，mapping type選擇standard。

（3）鋪層Ply創建

最后創建鋪層，鋪層為（0°/90°/+45°/-45°）ns，所以只需創建（0°/90°/+45°/-45°）四個鋪層然后循環、鏡像即可。在面板右側空白處右擊create new，working boundary選擇extend，name自動為P001，material自動為T-6-in，parent選擇已創建的層合板LAM001，Rossete自動為R0S001，specified orientation依次選0°、90°、+45°、-45°，sequence、step與name依次對應（10、20、30、40），最后選中所有鋪層0°、90°、+45°、-45°，運行拓展邊界制造可行性分析，返回Catia三維圖發現已經真實模擬出了復合材料成型模具上的各鋪層鋪貼情況，層合板Laminate、坐標系Rosette、鋪層Ply創建完成后如圖2所示。

3.2 FiberSIM鋪層數據導出

將FiberSIM模擬完各個鋪層后生成的鋪層二維展開圖，鋪層信息表和激光投影數據依次導出，鋪層信息表中包括鋪層材料、鋪層角度、鋪層順序等信息，二維展開圖對接裁床，導出方法為選中所有鋪層，進行鋪層展開圖生成操作Extend Flat Pattern，然后選中菜單欄File下的Export，選Flat Pattern Export，導出為裁床可識別的二維文件即可。激光投影數據導出方法與二維展開圖數據導出相似，選中所有鋪層，然后選中菜單欄File下的Export，選Laser Projection，導出為激光投影儀可識別的文件即可，操作人員根據激光輪廓和角度線進行鋪貼，避免了傳統的工藝文件不夠詳細造成的二義性問題［19］。激光投影數據直接對接激光投影儀，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，縮短了工藝設計和生產周期。平面展開圖數據無縫連接到車間裁床直接裁剪預浸料，省去了人工裁料的步驟，節省了材料。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，提高了產品尺寸精度，產品質量得到很大提高。

4 試驗

4.1 原材料及設備

纖維：T700級碳纖維，日本東麗公司；樹脂：環氧648，無錫樹脂廠；預浸料：自制，單層厚度0.15 mm，樹脂含量40%；蜂窩芯：芳綸紙蜂窩；蜂窩膠粘劑：J256，黑龍江省石油化學研究院；水性脫模劑。

設備：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

在設計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均勻分布在模具表面，以防脫模時復合材料與模具粘接而導致分層［20、21］，同時將碳纖維預浸料預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，每層預浸料纖維方向對準重合激光投影光線鋪敷，每鋪敷完成一層預浸料，需操作人沿著預浸料纖維方向按壓趕出預浸料層間氣泡，以獲得復合材料更好的力學性能，實際操作過程見圖3。

最后將預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，環氧樹脂的固化制度為130℃/5h，固化結束后，層合板隨爐冷卻，以防因溫度驟變而導致層合板翹曲變形。

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，周圍無翹曲變形現象，無損探傷顯示層合板無分層，說明鋪層設計合理并且實際成型工藝與模擬結果較吻合。

5 結語

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對于提高鋪層角度精度，降低尺寸變形等方面在工程運用中具有重要意義，為行業內復合材料制造自動化、數字化做出了參考，實現了設計與制造一體化，進一步提高了生產效率，降低了企業的生產成本。研究得出以下結論：

（1）利用復合材料設計軟件FiberSIM仿真模擬了蜂窩面板各角度鋪層纖維走向，并生成平面展開圖、鋪層信息表和激光投影數據，在實際生產過程中具有實際操作性。

（2）預浸料鋪敷成型過程中成功應用激光定位系統，復合材料蜂窩面板成型抽真空固化后產品表面光滑、平面度高，無翹曲變形現象，說明激光投影系統對于平板類產品具有提高精度的優點。

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通訊作者：陳浩然，男，高級工程師。研究方向為復合材料工藝設計。E-mail：13796677962@163.com