复合材料构件数字化设计制造

daewoo · 发表于 2007-6-10 14:30:04

在分析复合材料构件数字化设计制造环境基本要素的基础上，对其关键技术复合材料构件数字化设计和数字化制造技术及设计、材料、工艺一体化进行了研究。
在飞机上应用复合材料为设计者开发轻型飞机结构提供了更广阔的空间，并且复合材料的层合结构及其性能的可设计性使其可以设计出各向同性材料无法达到的气动性能。因此，复合材料日益受到航空航天等领域的青睐，现已成为新一代飞机机体结构四大主要材料之一。
复合材料在飞机上的推广应用带来了显著的好处——飞机重量的减轻使运营成本大大降低。但是复合材料设计制造的复杂性及独特性，使复合材料构件的成本、性能都受到影响，大量复合材料的应用具有很大挑战性。为迎接这一挑战，构建复合材料构件数字化设计制造环境，实施复合材料构件数字化设计/制造技术，成为国内外航空企业主要寻求的途径。
本文研究分析了复合材料构件数字化设计制造环境的基本要素，并对构建该数字化环境的关键技术进行了探讨，最后应用国外成功案例说明先进的复合材料数字化设计制造技术在提高复合材料构件性能、降低其成本等方面带来的巨大效益。

复合材料构件数字化设计制造环境
复合材料构件数字化设计制造环境以全面采用数字化技术为主要标志，采用计算机定义、描述、管理和使用复合材料构件生产过程中所包含的信息以及这些信息之间的相互关联，从根本上改变传统的复合材料构件生产方式，大幅度提高了复合材料构件设计制造技术的水平。复合材料构件数字化设计制造环境有两点显著区别于传统的生产方式：1.采用数字量形式对产品进行全面描述及数据传递；2.实现了复合材料设计、材料、工艺的一体化。复合材料构件数字化设计制造环境基本要素如图1所示，复合材料构件数字化设计和复合材料构件数字化制造是其主要组成部分，两个部分通过设计与制造之间的数据转换实现数据的集成。在设计部分中，结构设计人员在CAD软件和复合材料工程环境下利用几何元素（点、线、面、实体等）以及非几何数据（铺层、区域、铺放顺序等）描述复合材料层合结构；在初步设计的基础上，分析人员划分网格、施加载荷、定义边界条件等对构件进行强度分析并将计算结果反馈给设计人员以指导修改设计结果；设计软件和分析软件反复进行迭代、修改直至完成复合材料构件的最优设计。设计人员的设计意图经过数据转换传递到复合材料构件数字化制造部分，借助于各种数控设备最终实现信息到物质表现的转化。

复合材料构件数字化设计
复合材料构件数字化设计为后续优化、分析、制造等环节提供数据源头，是构建复合材料构件数字化设计制造环境的基础。除常用的CAD、CAE软件外，复合材料专用设计/制造软件是实施复合材料构件数字化设计不可缺少的工具。目前世界领先的复合材料专用设计/制造软件有CATIA CPD（CATIA-Composite Design）模块和VISTAGY公司开发的FiberSIM 软件。前者与CATIA系统全面集成，后者亦能完全集成到CATIA、Pro/E、以及UG等CAD软件中。复合材料专用设计/制造软件与已有CAD系统的集成提供了高效的复合材料数字化设计/制造工具。如图2所示，从初步设计、详细设计到制造准备阶段，根据设计对象的不同阶段需要相应的复合材料构件数字化设计解决方案，比如材料选择、铺层设计、可制造性分析、实体生成以及铺层展开、文档自动生成、激光投影等。
1. 铺层设计
由于复合材料构件具有材料制造与产品制造同时完成的工艺特点，因此复合材料构件数字化设计与金属零件有显著的区别，主要体现在描述材料制造信息的铺层设计上。铺层是在统一铺层设计次序中，铺设的具有相同材料的、一片或多片具有确定轮廓形状且具有相同的材料取向的复合材料层片；固化前可以分割出来的铺层组合形成的铺层集是复合材料构件的组成单元。复合材料构件设计开始首先定义构件的设计表面，根据强度要求在该设计表面上划分不同的区域，并定义区域的封闭轮廓。依据结构分析数据，定义每一个区域上的铺层参数包括材料类型、铺设角度、铺设顺序、铺层数等，进行铺层设计。相邻的区域需定义铺层递减信息实现区域过渡。
初步完成铺层设计后，可以分析实际铺层与最初设计铺层之间的铺层数量、厚度、材料和纤维走向的差别，并根据不同的设计模拟效果对铺层进行必要的改进。同时，还能自动进行复杂形状的复合材料零件重量、面积、重心及材料成本的计算。
2. 可制造性分析
具有复杂外形的复合材料构件在铺贴过程中，某些区域会因材料过多引起褶皱，或者因材料过少而造成搭接。已设计好的复合材料构件是否能够按照已有的设计被准确制造出来，是值得关注的问题。对在复杂曲面上铺覆复合材料叠层进行模拟可预测复合材料制造中产生的问题，并在设计的早期采取措施进行更正。通过采用不同的颜色表示区域的可制造性，蓝色表示铺覆正常，黄色表示轻微起皱，而红色表示严重起皱。利用该工艺评估功能，无需制造工装或者切割样本即可铺覆在模具上面模拟纤维如何符合复杂的轮廓表面，并对其进行可生产性分析，及早发现存在制造问题的区域，比如翘曲、架桥等。设计者在屏幕上对虚拟铺层做出改动，并实时查看对构件的影响，通过这样一个反复修改过程，直至最终完成铺层定义。
3. 三维实体的生成
复合材料构件的最终形状是由许多铺放在模具表面的铺层和夹芯决定的，每个零件的不同区域其厚度会有所不同，而且是逐步变化的。从设定的铺层、夹芯和铺贴曲面自动生成层合板表面，这些表面可以用来创建三维实体模型，产生工装模具表面和铺贴表面。三维实体用于定义构件的形状以及定位特征，以便在重量和重心分析、数字化预装配、工装设计、运动部件的模拟运动分析等过程中应用。
4. 铺层展开
一旦设计者对铺层几何感到满意，还需采用曲面展开技术将构件的三维实体模型逐层展开生成铺层的展开数据，将每一个曲面铺层展开为一个对应的二维平面图形，用以输出到制造系统中，为复合材料构件的制造做数据准备。基于三维CAD模型自动进行铺层展开是打通复合材料构件数字化生产线，实现设计、制造一体化的关键，也是当前我国实施复合材料构件数字化的技术难点之一。
5. 文档自动生成
基于复合材料构件的三维CAD模型，生成构件的二维图纸以及制造文档，包括各个铺层的工程图纸、剖面图、铺放流程卡、铺层表等，是指导复合材料构件生产和装配的依据。一旦设计模型有所改动，文档将自动更新以适应变化，极大缩短了设计时间。

设计、材料、工艺一体化
除上述的数字化设计功能之外，复合材料构件数字化设计制造环境通过数据接口联系设计和制造环节，在并行设计过程中使制造与设计定义直接结合，实现设计、材料、工艺的一体化，其流程如图3所示。复合材料设计人员完成铺层设计后，自动从设定的铺层定义生成三维实体，一方面将其传给工装设计人员，提取设计表面数据用以工装设计，同时工装设计人员将工装的设计表面以及定位点等数据反馈给复合材料设计人员，定位点是工装上用于安装激光投影系统工装定位头的孔。另一方面，基于构件的三维CAD模型生成铺层展开数据，为制造做数据准备，铺层展开数据进一步提取用于准备排料信息，生成下料机专用的下料文件和激光投影文件，通过数据接口将上述文件信息分别输入到排样系统、自动剪裁机和激光铺层定位系统，自动进行优化排样、下料、各铺层精确定位。铺敷完毕后，对构件进行固化、无损检测，最后完成复合材料构件的生产。复合材料设计、制造一体化实现了零件三维模型到制造的无缝集成，极大减少了不准确的铺层尺寸和铺设方向，提高了产品质量，同时自动切割和优化排样减少了材料浪费，激光铺层定位消除了手工切割样板和手工铺层样本，降低了成本。
复合材料构件数字化制造技术
复合材料构件的制造包括预浸料下料、铺层铺放、固化等阶段，复合材料构件数字化制造技术主要体现在预浸料自动下料、激光铺层定位和纤维自动铺放等方面。
1. 预浸料自动下料
复合材料构件生产过程中，预浸料下料是一个费时、费力、繁琐的工序，手工下料需要很多人用刀子按样板形状手工切割，效率低、精度差，并且裁料时需要放样，浪费很严重。为减少手工下料错误，使下料过程更准确、更快捷，采用专门的数控切割设备自动剪裁机进行预浸料的平面切割，实现预浸料的自动下料。构件的三维实体模型展开为铺层展开数据后，经铺层切割数据转换接口生成预浸料排样数据，直接输入自动剪裁机控制软件指导材料自动切割。自动剪裁的预浸料不仅消除了手工切割样板、形状准确，并且每一层都印有铺层编号，减少了铺放过程中的错误，其下料比手工下料效率可提高3倍以上，节约原材料20%左右。
2. 激光铺层定位
在复合材料构件生产中铺层工作量非常大，其中的问题之一就是铺层准确定位困难，手工铺放过程中往往越往后铺层，误差越大。先进的复合材料数字化制造技术通过采用激光投影系统在模具上显示铺层轮廓来实现铺层的准确定位，从而解决这一难题。激光投影系统由一台控制计算机、若干个激光头和一系列的工装定位头（光敏元件）组成，是实现激光铺层定位的关键设备，其系统组成及铺层定位过程如图4所示。使用该系统时，首先将铺放工装固定在激光头下面，将工装定位头固定在工装的定位点上，作为建立工装三维空间准确位置的参考点，投影系统通过用光线扫描工装表面的定位点进行自校准。工装定位点通常要包含工装上的最高点和最低点，其他点沿着工装的边缘均匀选取。
控制计算机根据基于构件的CAD三维设计数据生成的激光投影文件，通过特殊反光镜，控制激光束将构件铺层形状轮廓线上的点依次投影到模具表面，由于点投影的更迭移动速度极快（每秒300m以上），在操作者眼中，模具或零件表面会生成相应的边界轮廓线，操作者可根据该轮廓线进行有关的定位操作（如定位铺叠等），从而免除了传统的铺叠样板。
3. 纤维自动铺放
纤维铺放技术是自动铺丝束技术和自动窄带铺放技术的统称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术，适用于机身等大型、复杂型面结构的制造。纤维铺放设备融合了纤维缠绕、复杂型面铺放和计算机控制的优点，实现了复杂外形复合材料生产的自动化，节约了成本、时间及手工重复劳动。例如，美国JSF联合攻击战斗机的进气道是采用纤维铺放技术制造的，其通道截面沿S形轴线由矩形向圆形过渡，同时直径逐渐变小，形状非常复杂。基于该进气道的三维CAD模型生成包含零件铺层表面、铺层、铺层方向等信息的纤维铺放数据文件，作为纤维铺放设备控制软件的输入数据，纤维铺放设备控制软件再生成设备执行文件，设备按照执行程序控制铺放头进行丝束的铺放。目前全世界已经有20多台纤维铺放设备在运转，预计到2010年，世界上将有60台投入使用。

结束语
国外的应用情况表明，先进的复合材料技术为飞机制造企业带来了巨大的效益，复合材料数字化设计/制造技术对扩大复合材料的应用具有重要意义。例如，JSF在复合材料进气道的研制中,采用数字化设计和纤维铺放技术等最终将其设计时间由300小时减少到150小时，制造时间由450小时减少到200小时；而西科斯基公司在S-92直升机座舱罩的研制中通过实施多项先进技术，降低开发时间27%，减少更改超过90%。在整体成形“首相”Ⅰ号机身的过程中，采用纤维铺放技术与手工铺层相比使结构重量减少了20%，材料浪费减少了60%。目前我国国内在复合材料数字化设计/制造技术方面的应用研究尚处于起步阶段，进一步发展和推广该项技术，必将使复合材料获得更广泛的应用。

aureate · 发表于 2011-6-29 15:16:31

这个怎么没有人来顶呢？

wld · 发表于 2011-6-30 12:35:28

因为看不懂

flyang_08 · 发表于 2011-6-30 13:49:01

这种技术现在正在波音和空客的新机型中大量使用

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