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。傳統的模線/樣板模擬量工作法已不適合現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，以數字量傳遞信息更加準確、高效，與自動下料系統和激光鋪層定位系統等的集成，打通了復合材料構件設計、工藝模擬、制造的數字化生產線。

關鍵詞 設計制造一體化;設計/制造數據轉化;數字化制造

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展，復合材料結構也向著零件大型化、結構整體化方向發展。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，闡述復合材料數字化設計/制造技術。

1復合材料數字化設計制造一體化技術

與傳統的順行設計不同，數字化設計采用并行設計，對復合材料構件每一鋪層進行數字化定義，將復合材料構件產品數字化定義數據從設計初期傳遞至工裝設計、工藝設計、數字化剪裁設備和激光鋪層定位系統，利用計算機軟硬件及數字化設備，打通了復合材料構件從設計到制造過程的數據流[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。根據經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個厚度區域并得出相應區域理論鋪層總數。

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域相應鋪層數、鋪層比例和鋪層順序的正確性[2]。

3翼梁的設計/制造數據轉化

翼梁三維模型建好后，可用于零件工裝的設計制造，同時關聯復合材料設計/制造軟件-FiberSim，完成基于三維模型的經設計校核的每一鋪層的數字化定義。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個厚度區域，相應會產生18個過渡區。zone1與zone3/4及zone2與zone3/5過渡區位于梁緣條圓角區，該位置是緣條與腹板受力過渡區且是鋪層固化成型易變形區，要求纖維鋪層過渡舒緩，故對該區域鋪層過渡按1：40鋪放，其他區域按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，可采取優化鋪放起始點、優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數據接口將鋪層位置、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、自動剪裁機、激光鋪層定位系統和自動鋪放機等制造設備，生成優化排樣、下料、各鋪層精確定位以及纖維鋪放等程序文件。

對復合材料構件產品每一鋪層進行數字化定義，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，發現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據流，實現各工種的并行工程。

4翼梁的數字化制造

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，可實現大型平板類零件快速、高質量的制造及固化成型。

5結束語

通過FiherSIM軟件進行數字化設計與制造技術改變了復合材料傳統的制造模式，由模擬量轉變為數字量傳遞制造信息，體現了并行工程理念。數字化技術的成功應用，保證了復合材料零件數字化定義的單一產品數據源，縮短了產品制造周期，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.