高分子復合材料計算機輔助成型工藝設計研究

王 淼

（西安培華學院，陜西西安710125）

高分子復合材料具有綜合性能優異、結構可設計性強等特點，在汽車工業、航空航天等領域具有廣泛的應用價值。然而，由于高分子復合材料尤其高分子纖維復合材料如碳纖維、芳綸纖維等材料在加工成型時表現出較為明顯的各向異性，給結構件的加工成型帶來了一定的復雜性和加工難度[1-3]。較高的成型難度也始終是影響高分子纖維材料結構件制備成本的重要因素之一。為充分降低高分子復合材料成型環節的工藝難度和生產成本，材料領域研究人員嘗試使用計算機軟件技術與高分子復合材料成型工藝進行融合，將高分子復合材料成型工藝中的參數、數據、設計原則等錄入計算機軟件，以更好地幫助結構件設計人員掌握不同高分子復合材料成型工藝方法等，更快選擇最佳的材料成型方案，達到降低設計成本、提高高分子復合材料結構件設計效率的目的。

1 輔助成型系統架構

1.1 宏觀架構

復合材料計算機輔助成型系統主要可分為成型工藝方法和支持庫數據兩部分，如圖1所示。其中，復合材料計算機輔助成型工藝方法主要有RTM成型、手工鋪放以及噴涂成型等，不同的高分子復合材料在進行成型時需要采用對應的成型方法[4]；支持庫則主要囊括了高分子復合材料成型過程中需要的模具參數、成型工藝參數、成型工藝實例以及高分子復合材料的分類等，最大程度方便操作人員通過系統直觀地獲取當前所使用的高分子復合材料對應材料成型工藝參數等。

圖1 復合材料計算機輔助成型系統Fig. 1 Computer-aided molding system for composites

1.2 系統作業流程

圖2所示為高分子復合材料計算機輔助成型系統工作時的一般流程圖。如圖2所示，工作人員在進行某一結構件的成型時，首先需要手動輸入該結構件所使用復合材料的類型，系統將根據這一輸入結果在支持數據庫中進行檢索，獲得復合該材料特征的相似事例檢索結果，若支持數據庫中有相似實例則直接進入工藝流程修改環節，根據構件尺寸等參數直接進行輔助成型；若檢索結果表示沒有相似成型工藝實例，則系統需要進行針對性的工藝流程選擇與編制，通過訪問材料模塊、模具參數模塊以及成型工藝參數模塊制定復合該構件的成型工藝與參數，最終根據這一成型工藝和結構件參數輸出工藝文件進行材料輔助成型。

圖2 一般流程圖Fig. 2 General flowchart

1.3 成型工藝選擇

高分子復合材料的輔助工藝選擇，是計算機輔助材料成型系統的關鍵。通常而言，對于某一特定構件來說想要達到最理想的材料成型效果，需要根據材料特征、構件結構參數、構件性能以及構件的質量要求等因素進行綜合考量[5]。這些因素，必須在系統錄入構件種類以及加工材料之初便進行考慮。由于高分子復合材料的成型工藝太多，本文摘取其中應用最為廣泛、最具特點的RTM成型工藝進行分析。

RTM成型工藝即樹脂轉移模塑(Resin Transfer Molding)，是一種高分子復合材料閉模成型工藝[6]。RTM成型工藝又可分為VARIT（真空輔助樹脂傳遞注塑）、VARTM（真空輔助樹脂傳遞注塑）以及VRTM（真空樹脂傳遞模塑）等。圖3所示為典型的RTM成型工藝流程。

圖3 典型RTM成型工藝流程Fig. 3 Typical RTM molding process

RTM成型工藝有利于制備大中尺寸、復雜形狀、兩面光潔的整體結構件，所制備的高分子復合材料構件尺寸精度好、表面質量高、機械性能好。圖3所示的RTM成型工藝流程以及RTM成型工藝其他分支工藝的成型工藝流程圖均被錄入了圖1中所示的成型工藝方法模塊中。工作人員在錄入構件參數以及加工材料以后，將會自動對可以采納的成型工藝進行評估，通過定性的經濟因素如構件的產量、生產成本、生產工藝復雜程度等，以及定量的因素例如構件的尺寸參數、復雜性以及構件的表面光潔度等篩選并匹配出最適合該構件的成型工藝。工作人員可以選擇按照系統提供的成型工藝直接進行構建加工，也可以根據系統提供的建議初步確定某幾類材料成型方案，在經過部門系統論證以后選擇恰當的成型方法。這種材料成型工藝能夠有效指導操作人員進行構件加工，降低成型工藝選擇和論證的時間成本。

2 系統關鍵方法與技術分析

2.1 材料特征分解原則

高分子復合材料的成型工藝選擇主要基于構件自身的產品需求以及經濟因素等。因此，按照圖4所示的特征分解原則，根據高分子復合材料構件的特征，將構件進行分解[7-9]。在該原則下，不論構建的復雜程度如何、加工精度如何，都可以將構件分為最簡單的集中元素的組合體，得到構件的最基本單元。這種構件分解方法，有助于系統從最基本的參數對構件成型工藝進行優化。

圖4 高分子復合材料構件特征分解原則Fig. 4 The principle of characteristic decomposition of polymer composite components

2.2 產生式表示法

在高分子復合材料計算機輔助成型系統中，如何通過最佳算法高效篩選最合理的成型工藝，是衡量系統工作效率的關鍵。產生式表示法是一種知識的表示方法，所表示的知識是確定性知識。高分子復合材料的成型工藝選擇本身是一種確定性較高的知識，基本上某種構件及其制備所用高分子復合材料對應的成型工藝只有某幾種。然而，以往這方面的知識多依賴操作人員的經驗，難以進行書面表達或系統論證。本文則通過引入產生式表示法，將高分子復合材料構件的成型工藝進行表示，通過推理實現構件成型工藝的選擇，最終通過海量復合材料與常用構建數據的錄入，構建滿足高分子復合材料計算機輔助成型系統需求的知識庫。

產生式表示法的基本形式為：前件是該規則可否使用的先決條件。前件由單個事實或者多個事實的邏輯組合構成。后件是一組結論或操作。指出當前件滿足的時候，應該推出的結論或應該執行的操作。r1（規則序號）：IF <前件：單個事實或多個事實的邏輯組合構成> THEN <后件：一組結論或操作>

例如：IF 纖維含量要求=高AND樹脂粘度=高THEN 成型工藝=RTM成型

通過這一方法可以非常直觀地通過各個條件之間的邏輯關系判斷某一構件對應高分子復合材料所適用的成型工藝。但該方法存在一個固有缺陷，其求解過程是反復的“匹配-沖突消解-執行”過程。容易造成系統冗余和工作效率低下等問題。因此，還需要引入其他方法例如基于特征的實例推理等進行輔助。

2.3 基于特征的實例推理

基于特征的實例推理是基于圖4所示的高分子復合材料構件特征分解原則，以高分子復合材料構件過去的實際經驗或經歷為依據開展推理，最終獲得最佳的成型工藝的方法。基于特征的實例推理過程主要可參照圖5。

圖5 基于特征的實例推理過程Fig. 5 Feature-based instance reasoning process

第一步，構件的案例表示首先需要按照圖4的特征分解原則進行特征信息收集；第二步，對案例模型進行充分的分析；第三步，在已有的案例庫中進行檢索，獲取相似或相關案例；第四步，通過類比映射和類比轉換判斷是否需要進行新的成型工藝設計，若是，則按照產生式表示法進行新的工藝設計，若否，則進入第五步；第五步，基于高分子復合材料構件的設計規則進行成型工藝的過程解釋；第六步，對案例進行修補、類比驗證，最終得到最適合該構建的材料成型工藝并將案例進行保存。

與產生式表示法相比，基于特征的實例推理過程法得到成型工藝的效率更高。但是，該工藝需要系統的數據庫中具有相關或相似的案例，因此主要作為產生式表示法的一種補充。

3 結語

綜上所述，本文構建了一種高分子復合材料計算機輔助成型系統，對系統的運作流程和關鍵技術進行了總結。隨著現代材料領域的飛速發展，復合材料正逐漸與國防、航空航天、群眾生活的各個領域進行融合，如何降低高分子復合材料加工成型難度、成本，提升高分子復合材料成型工藝的可靠性和效率等，是材料領域未來研究工作的重點。本文所提供的輔助成型系統，基于產生式表示法和基于特征的實例推理法兩種技術進行成型工藝選擇和創新，實現了設計經驗的共享和最優化成型技術選擇，具有一定的實際應用價值。