40 直升机复合材料数字化设计与制造技术研究-齐德胜(5)new

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1、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

2、劳动效率，节省原材料，减少错误产生概率。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

3、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

4、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Fibe

5、rSIM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。2FiberSIM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件使用进行了研究，确定了设计原则。677预浸料有一定的幅宽限制，大

6、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

7、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

8、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