基于FiberSIM軟件的復合材料對比試塊缺陷設計

曹旋 寧寧

摘? 要：民航無損檢測技術是航空器持續適航的重要保障，對比試塊缺陷研究是無損檢測技術的重要組成部分。為了研究復合材料中出現的缺陷類型，基于FiberSIM軟件的數字化設計制造一體化技術，結合CATIA軟件，對復合材料對比試塊的缺陷進行設計和仿真，從而為后續的對比試塊的制造和檢測研究提供依據。

關鍵詞：無損檢測;對比試塊;缺陷;復合材料;FiberSIM

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）30-0016-02

Abstract： Civil aviation nondestructive testing technology is an important guarantee for the continuous airworthiness of aircraft， and the study of comparative test block defects is an important part of nondestructive testing technology. In order to study the types of defects in composite materials， the defects of composite materials are designed and simulated based on the integrated digital design and manufacturing technology of FiberSIM software and CATIA software， thus providing a basis for the subsequent comparative test block manufacturing and testing research.

Keywords： nondestructive testing; contrast test block; defect; composite material; FiberSIM

引言

復合材料具有強度高質量輕以及抗疲勞的特點，廣泛運用在民用航空飛行器上。未來復合材料在航空器上的運用也將保持高速增長的趨勢。由于飛行器上復合材料隨著使用時間的增長，會出現不同類型和不同程度的損傷，為了在其危害飛行器安全之前發現，我們就要研究檢測這些缺陷的方法和檢測間隔。因此研究復合材料的損傷缺陷尤其重要。要研究復合材料的損傷缺陷，我們就要設計出飛機上真實的缺陷，為后續的測試實驗做準備。

FiberSIM具有獨特的復合材料仿真技術，能夠預測復合材料層與層之間貼合情況，對于復合材料對比試塊的研制具有重要意義。利用FiberSIM軟件設計出與被檢測結構一致的層數和鋪層角度，并且對需要研究的缺陷進行設計與仿真，得到理論上需要的對比試塊，不僅可以設計復合材料的缺陷參數，而且可以指導對比試塊的生產制造。本文利用CATIA與FiberSIM軟件集成的數字化設計一體技術，從對比試塊的外形設計、選材、工藝裝配以及缺陷設計進行論述，為復合材料無損檢測對比試塊設計提供思路。

1 復合材料對比試塊結構缺陷

航空復合材料蜂窩夾芯結構由層合板中間通過膠粘劑粘接一層蜂窩芯組成，蜂窩夾芯結構具有高強度、高剛度、重量輕以及抗疲勞等優點，在航空航天領域被廣泛使用。這種結構受到沖擊會造成不同類型的損傷。其中缺陷可以分為以下幾類：

（1）復合材料的層合板之間的分層;

（2）層合板與蜂窩夾芯之間的脫粘;

（3）蜂窩夾芯的破裂或坍塌;

（4）蜂窩夾芯內積水。

本文研究的是復合材料蜂窩夾芯結構的層合板之間分層缺陷和層合板與夾芯之間的脫粘缺陷，利用FiberSIM軟件精確的設計對比試塊中這兩類缺陷形狀和大小，可以快速可視化缺陷的形狀和位置，從而為后續的制造和研究提供準備。在工程實際中，脫粘和分層區域的形狀一般是橢圓形，所以將缺陷設計為橢圓形。為了盡量避免兩種缺陷之間的相互影響和減少邊界效應，將缺陷設計在試塊上的不同區域：a. 將脫粘缺陷設計在蜂窩夾芯與層合板之間，脫粘區域位于蜂窩區域的中間處;b. 將分層缺陷設計在不含蜂窩區域處，分層區域設計在鋪層與鋪層之間。

2 CATIA建立對比試塊三維建模

首先利用CATIA軟件設計出需要被檢測的零件一致的幾何圖形，為FiberSIM鋪層設計（鋪層面的提取、蜂窩夾芯邊界、鋪層邊界、制造邊界、坐標點制作）做好準備工作。

將試塊設計成兩塊（每塊厚度為1.524mm）矩形的層合板中間夾著一層厚度為10mm的蜂窩夾芯，其中每塊的層合板是由8層鋪層組成。FiberSIM鋪層設計需要提前設計試塊的三維幾何圖形，并提取所需要的幾何元素為鋪層設計和缺陷設計做準備。

3 層合板鋪層幾何準備

把設計好的試塊的三維圖導入CATIA中，切換到創成式外形設計模塊，然后在試塊的三維幾何圖形的底部提取曲面，并且鋪層方向往上，并且對該提取面抽取完整的邊界，這就是層合板模面的設計邊界，并命名為凈邊界。點擊外插延伸功能（? ? ），然后對曲面按需要往外延長，再用點擊拼接功能（? ?），將曲面延伸后的曲面拼接，得到了層合板的鋪層面，再次提取鋪層面的邊界，就得到了層合板鋪層的制造邊界，點擊拼接功能，拼接制造邊界并命名為擴展邊界。

然后在鋪層面上中間的位置任意選取一個點，定義為鋪層面的參考方向原點，然后以參考方向原點為起始點以X軸方向繪制一條5mm的直線，并命名為參考方向線，這就繪制好了原點坐標。

過渡輪廓的創建

蜂窩處的過度區域

在蜂窩的四個周面的每一個面上創建一個點分別為a，b，c，d，然后再創建經過a點且平行于a點所在平面的平面A，以此類推，分別創建經過b，c，d的三個面的平面B，C，D。然后利用相交功能（? ? ）得到四個面與層合板底面鋪層面的交線，剪切多余的線條，就得到了蜂窩的邊界，然后點擊拼接功能（? ? ），拼接該交線后命名為蜂窩邊界。

4 FiberSIM軟件缺陷設計

在CATIA軟件中做好了幾何準備之后，然后利用FiberSIM軟件定義復合材料的鋪設邊界、鋪層數量、鋪設方向、坐標系位置、蜂窩夾芯結構類型、缺陷位置、缺陷形狀和大小等。

4.1 創建層合板

在創建缺陷之前首先設計試塊的鋪層設計，進入FiberSIM界面，創建層合板，點擊功能樹中的層合板，創建層合板標簽，在標簽中定義層合板的鋪設面、凈邊界、擴展邊界，在CATIA中選擇對應的元素，材料選擇DRY-PL-3K，命名為對比試塊。

4.2 創建坐標系

鋪貼面和鋪層邊界確定后，接下來要創建坐標系。點擊左側功能樹上的坐標系，點擊新建按鈕，定義參考方向原點、參考方向線、鋪設曲面、起始角、方向角以及確定右手鋪設方向等元素，并且在CATIA中選擇所需要的幾何元素。

4.3 鋪層設計

在試塊的鋪層設計的時候，應該是按照被檢測件的鋪層參數鋪設，為了保密性要求，自行設計了一個試塊的鋪設參數，分別選取了鋪層曲面、鋪層邊界、鋪層角度、鋪層順序，鋪層層數以及鋪層材料。其中設計的鋪層層數是16層，每層厚度是0.1905mm。1-8層與9-16層是在中性面對稱。第一層的step設置為10，每增加一層step增加10。所以第八層的step為80。

4.4 設計蜂窩夾芯

點擊左側功能樹上的夾芯，再點擊新建按鈕，創建虛擬臺階夾芯，名稱為sandwich，在CATIA中選取蜂窩邊界和原點，蜂窩厚度為10mm，頂部切削角為30度，材料為honeycomb，鋪貼step設置85，使得蜂窩夾芯鋪設在第九層中心位置，使得蜂窩的上下層合板鋪層數量一樣。

5 鋪層的三維顯示及注釋顯示

鋪層設計過程中可以顯示鋪層的三維截面視圖，從而驗證鋪層設計是否正確。首先在CATIA軟件中創建一個橫截面線，使得橫截面線通過蜂窩夾芯、脫粘缺陷、分層缺陷，然后通過FiberSIM軟件中的3D文檔模塊下的3D截面，輸出結果如圖1所示。如果需要在CATIA軟件中生成試塊的鋪層情況，使用在3D文檔模塊下的鋪層表功能，顯示結果如圖1所示。

6 結束語

本文以某型飛機的零部件為研究對象，設計其對比試塊的理論鋪設方案，對復合材料的缺陷設計方法進行了研究，在試塊上設計了兩種類型的缺陷，精確的設計缺陷的位置、形狀和大小，為后面的含有缺陷試塊的制造提供了依據，也為后續的測試實驗做準備。掌握了這兩種缺陷的設計，再進行復合材料夾雜缺陷設計也可以采用類似的方法。

參考文獻：

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