1、673第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机复合材料数字化设计与制造技术研究齐德胜 刘秀芝 宫少波 周国臣（哈尔滨飞机工业集团，哈尔滨，150066）摘 要：本文主要介绍基于 FiberSIM 的复合材料构件数字化设计与制造技术的研究与应用，采用数字化设计与制造技术改变了复合材料传统的制造模式，由依赖模线样板进行制造的模拟量传递转变为由计算机设计数据直接转化为制造信息的数字量传递，信息更加准确，体现了并行工程的设计理念。针对复合材料设计特点，应用复合材料设计软件 FiberSIM，在设计之初即考虑工艺问题。应用此项技术大大缩短零件的生产周期，提高劳动效率，节省原材料，减少错误产生概率。
2、同时，总结出了复合材料数字化设计与制造的优点，提出了应用 FiberSIM 软件进行复合材料构件设计时的设计原则。关键词：复合材料 数字化 设计 制造1 引言复合材料是航空业发展的关键技术之一，在一定程度上可以说复合材料的发展水平和应用程度是一个国家科技发展水平的标志。特别是在航空工业，各种先进的飞行器无不与先进的复合材料设计与制造技术紧密联系在一起。随着计算机技术和数控技术的不断发展，各种各样的软件和数控设备相继出现，使数字量传递成为可能，为复合材料构件实现数字化提供了基础。复合材料数字化即复合材料设计制造一体化是 20 世纪 80 年代后期以来，随着 CAD/CAM、计算机信息、网络技术的
3、发展，以美国为首的西方发达国家开始研究并首先应用的一项新技术。应用该技术可以提高产品的研制生产效率，保障产品质量，降低产品成本。形成该项技术基础主要有两点：一是依赖于模线样板的复合材料制造过程转变为可根据计算机数据文件进行全面运作的制造过程；二是针对复合材料构件制造特点的工艺性评估软件的形成。高性能连续纤维复合材料为生产轻质高性能的产品提供了巨大的机会，但是高的材料成本以及设计和制造复合材料产品的复杂性在很大程度上抵消了复合材料的使用效益。为了降低成本，提高复合材料生产效率，缩短复合材料产品的开发时间，减少材料浪费，降低工具损耗及生产时间，美国 VISTAGY 公司在 CATIA 软件平台上开
4、发了用于复合材料设计和分析的软件FiberSIM。FiberSIM 的复合材料铺层仿真技术，能够预测复合材料铺层如何与复杂的工装表面贴合，并把贴合的结果形象的表示出来。FiberSIM 软件支持整个复合材料的工程过程，可以使设计人员同时在零件构型、材料、结构要求以及工艺过程约束之间进行权衡。设计人员使用 FiberSIM 软件能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段发现制造问题并采取相应的纠正措施。采用 FiberSIM软件可以进行复合材料零件的结构工艺性分析、工程设计、曲面展开、铺层定义等，并通过相应接口将定义信息传递至自动下料机、激光铺层定位仪，直接利用设计数据进行数控剪裁、预浸料激光定
5、位铺层，完全取消了图纸并提供了复合材料零件数字化定义的单一产品数据源，提供正确完整的产品定义信息，不会由于不正确或不完整的尺寸以及数据传递错误造成返工，极大地提高了生产效率和产品精度。 2 FiberSIM 软件研究软件是实现人们思想的一种工具，任何软件都不能脱离人的控制，在进行数字化设计之前对软674件使用进行了研究，确定了设计原则。预浸料有一定的幅宽限制，大型复杂复合材料构件通过仿真分析，如果铺层超出了材料的幅宽限制则需要在适当的位置将铺层进行分割，分开的铺层片之间需要进行对接或搭接，偏移量的大小及拼接位置要根据设计的具体情况和要求，通过软件分析或试验最终确定。对于复杂曲面上的铺层，进行二
6、维展开时，既要保证铺层能够展开，还要保证展开的铺层铺到3D 模型上边界一致，往往存在较大的困难，只有当制造可行性分析表明纤维变形在可接受范围之内才可以进行铺层展开。但是，确定极准确的铺层展开是不可能的，该情况可以通过制造世界地图的问题上进行解释（如图 1 所示） 。在过去的许多年里，研究人员开发了许多方法把地球绘制成平面图，但产生了不同的结果。一些方法准确地绘制了曲面的面积，而另一些方法则准确地绘制了形状。这些条件互相独立，根本不可能即确保形状又保证面积，除非增加许多剪口。理论上，如果一个世界地图有足够多的剪口，那么这个地图在形状和面积上则相当准确。但是，一般人则难以辨认。在复合材料铺层展开问
7、题上与绘制地图一样，复合材料铺层展开是将每一自由曲面绘成平面，如果在一个铺层上应用太多剪口，则铺层将很难铺放，并危及到零件的整体性。图 1 球形件转化示意图当 FiberSIM 软件开始计算铺层展开时，首先从铺放起始点开始计算。通过起始点确定两种基本的曲线，一种沿着纤维方向，另一种则与之垂直。这些基础曲线在铺放曲面上于两个方向产生偏移，显示制造可行性模拟的网格。网格围绕着铺放起始点接近于完整的正方形，但是偏移铺放起始点后形状开始变化，单个网格从正方形逐渐变成菱形。当生成铺层展开时，网格又被还原成正方形。这就是引起铺层展开不准确的原因。保证展开曲面最大准确性的方法是保证所有的单元格在 3D 状态
8、下接近正方形，制造可行性分析网格表明在铺放起始点周围纤维变形极小。在曲面有较大曲率的情况下，可以通过改变铺放起始点来减小铺层的变形。当纤维局部变形严重时可以对其打剪口来消除变形，即在铺放起始点与变形区域之间通过打断连续纤维的形式使纤维不至于变形过大。对于较复杂的零件，仿真后多出现许多变形严重区域，不能满足设计和制造要求，影响零件的质量，但是如果在一个铺层上应用太多剪口，则铺层将很难铺放，并危及到零件的整体性。正确地设计剪口位置和剪口尺寸，可以消除或大大减少纤维变形，减小对纤维的损伤。分开和连接也是一种常用的方法，铺层展开在接近铺放起始点处最准确，从本质上看，在一个展开的铺层上设置多个铺放起始点
9、，即把 3D 铺层切成几片，可以有效解决铺层变形问题。根据不同零件的不同要求，把单个铺层切开后各铺层之间采用搭接或对接的形式铺层重新连接成为一个整体。在理论和实践的基础上通过对 FiberSIM 软件的研究，形成了一套复合材料构件数字化设计原675则。进行复合材料数字化设计时除要符合复合材料一般设计要求之外还要遵守以下原则： 分开的铺层片之间需要进行对接或搭接，一般在连接区和有配合要求的区域对接，在没有严格要求的地方搭接，搭接区域一般为 15mm。 对铺层进行制造可行性分析时，如有部分纤维变形过大可采取优化铺放起始点、优化拼接位置、局部区域打剪口、铺层分开后连接等方法消除纤维变形过大。对于铺设
10、方向的垂线方向大于预浸料幅宽的铺层，客观条件要求必须要将预浸料分成片，可通过逐步优化分片的位置和铺放起始点使其通过仿真要求，对于特别复杂零件可在局部打剪口。对于铺设方向的垂线方向小于预浸料幅宽的铺层，一般采取优化铺放起始点来消除纤维变形过大，必要时可在局部开设剪口，剪口主要分为 U 型剪口与 V 型剪口，前者适用于铺层局部受压引起的纤维变形，开剪口后不须打补片；后者适用于纤维由于拉伸引起的纤维变形，开剪口后需要打补片。对于铺层分开后连接除非在特殊情况下否则一般不用。3 数字化设计及制造技术的应用研究3.1 数字化设计 直升机涵道垂尾右侧皮数字化设计直升机涵道垂尾右侧皮结构尺寸约 3000200
11、0mm，为 4 块蜂窝组成的夹层结构，各蜂窝边缘采用 30切角形式，蜂窝上侧的蒙皮采用一层碳纤维布，下侧采用两层碳纤维布，蜂窝边缘用碳纤维预浸布加强。直 升 机 涵 道 垂 尾 右 侧 皮 为 典 型 的 复 杂 曲 面 下 多 蜂 窝 组 成 的 夹 层 结 构 ， 对 其 进 行 数 字 化 设 计 时 应特 别 注 意 蜂 窝 上 表 面 铺 层 的 设 计 ， 由 于 蜂 窝 上 下 表 面 的 形 状 不 同 ， 为 了 工 艺 仿 真 的 精 确 ， 分 别 定 义 上下 两 个 模 具 面 。 当 对 右 侧 皮 蜂 窝 上 表 面 进 行 铺 层 仿 真 时 ， 在 铺 层 中
12、 出 现 红 色 区 域 ， 表 明 该 区 域 纤 维 偏移 过 大 ， 此 种 情 况 是 不 允 许 的 。 此 种 情 况 可 以 用 上 述 所 提 到 的 方 法 进 行 改 善 。 将 所 有 铺 层 重 新 设 计 后可 以 清 楚 地 看 到 预 浸 布 在 蜂 窝 的 上 下 表 面 的 铺 贴 形 式 ， 直 升 机 涵 道 垂 尾 右 侧 皮 仿 真 分 析 结 果 如 图 2 所示 。 完 成 仿 真 并 确 保 每 一 层 都 满 足 要 求 后 ， 应 用 软 件 生 成 投 影 文 件 和 下 料 文 件 准 备 进 行 后 续 工 作 。图 2 涵道垂尾右侧皮
13、的数字化设计 直升机主减平台数字化设计直升机主减平台结构尺寸约 20001000mm，为蜂窝夹层结构，蜂窝边缘为 30切角形式，蜂窝上下表面各采用 4 层碳纤维布，边缘用碳纤维预浸布加强。对主减平台结构进行数字化设计主要难点是如何处理铺层连接之间的关系。对该结构进行数字676化仿真步骤与其它结构件类似，所不同的是该结构需要铺八层预浸布，且每层布都超幅宽。如果按照之前的设计方法铺层搭接线之间平行，势必会产生同一铺层分成三片的情况，这不仅破坏了铺层的整体性，而且对零件的强度也会产生不利的影响。为此，铺层搭接线之间应改为交错式排列以解决此问题，该结构的仿真效果如图 3 所示。以此办法继续进行铺放直到
14、铺设完成。完成仿真并确保每一层都满足要求后，应用软件生成投影文件和下料文件准备进行后续工作。 图 3 对主减平台的数字化设计3.2 数字化制造完成零件的数字化设计后转入数字化制造阶段，数字化设计为数字化制造提供了唯一的数据源，进行数字化制造时只需根据每一层的边界生成投影文件，根据每一层的展开图生成下料文件，并将这两个文件分别输入到投影设备和下料设备中，投影设备在工装表面投影出每一层的轮廓，下料设备按照下料文件上的信息在预浸料上裁减出每一层的平面展开状态的形状，最后将下料机裁减出的每一层按照工装上所投影出的轮廓铺贴上去。当所有铺层都铺贴完成后，在热压罐里固化成形，经过切割最终成型出产品。投影设备
15、和下料设备见图 4，应用数字化技术制造的零件见图 5。图 4 激光投影设备和自动下料设备677图 5 应用数字化技术制造的零件4 结论通过 FiberSIM 软件应用数字化设计与制造技术改变了复合材料传统的制造模式，由依赖模线样板进行制造的模拟量传递转变为由计算机设计数据直接转化为制造信息的数字量传递，信息更加准确，体现了并行工程的设计理念。针对复合材料设计特点，应用复合材料设计软件 FiberSIM 对直升机涵道垂尾右侧蒙皮和直升机主减平台进行了数字化设计与制造，打通了复合材料构件设计、工艺、制造的数字化流程。与传统设计、制造方法相比数字化设计制造的优势在于： 采用数字化设计制造手段，实现产
16、品设计与工艺并行工作，与传统的设计制造方式相比周期缩短 15%以上； 采用无余量数控下料，原材料节省 20%以上； 采用数控下料后，下料工人由原来的 8 人减少到 5 人，节省人力成本 37%，生产效率提高 25%以上，同时，采用数控下料避免了人为造成的差错，保证了工作质量； 采用激光铺层定位系统辅助工人进行预浸料铺贴，保证了铺贴质量，减少了人为造成的差错。 参 考 文 献1 中国航空研究院编，复合材料结构设计手册，航空工业出版社，20012 杨乃宾、章怡宁编著，复合材料飞机结构设计，航空工业出版社，20023 欧洲航天局，复合材料设计手册，航空航天部飞机强度研究所，19924 戴棣、谢富原，
17、航空复合材料结构的先进制造技术，航空复合材料预研二十年回顾与展望研讨会论文集，20015 沃丁柱主编，复合材料大全，化学工业出版社，2000RESEARCH ON COMPOSITE DIGITAL DESIGN ANDMANUFACTUR FOR HELICOPTERQi Desheng Liu Xiuzhi GongShaobo ZhouGuochen (Harbin Aviation Industry Group, Harbin,150066)Abstract: This article mainly introduces use FiberSIM to do the research
18、on composite digital design and manufactur. Composite digital design and manufacture technic improve the tradition mode, change the information transfer mode from simulate to digital, information transfer more nicety, incarnate parallel project ideology. Contrapose composite design characteristic, u
19、se composite design software FiberSIM, solve the matter of technics in the begin of design.Use this technology shorten the periods of accessory manufacture, increase efficiency, save raw and processed materials, reduce mistake.At the same time sum up the virtue of composite digital design and manufactur, Bring forward the rule of composite digital design.Key words: composite; digital; design; manufactur
