張玉華，黃 勛，尹曉霞

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

復(fù)合材料以其高強(qiáng)輕質(zhì)、性能各向異性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域。但復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,傳統(tǒng)的二維軟件設(shè)計(jì)需要工人根據(jù)二維圖手工鋪貼，設(shè)計(jì)和制造效率很低，已不能滿足復(fù)合材料的批量化生產(chǎn)。為解決上述問(wèn)題,多種復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析軟件被開(kāi)發(fā)、運(yùn)用于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造中,大大的方便了復(fù)合材料的分析、設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。

FiberSIM就是其中之一，它是集成于CAD系統(tǒng)中的一個(gè)軟件工具包，可以使CAD系統(tǒng)成為高性能的設(shè)計(jì)和制造復(fù)合材料零件的軟件工具，不僅能夠進(jìn)行可制造性分析，還能生成激光投影儀、自動(dòng)下料機(jī)以及自動(dòng)鋪放機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)。FiberSIM軟件獨(dú)有的復(fù)合材料仿真技術(shù)，能夠預(yù)測(cè)復(fù)合材料如何與復(fù)雜的表面貼合，并把貼合的結(jié)果形象地表示出來(lái)。FiberSIM軟件能夠支持整個(gè)復(fù)合材料的工程過(guò)程，可以使設(shè)計(jì)人員同時(shí)在零件幾何、材料、結(jié)構(gòu)要求以及工藝過(guò)程約束之間進(jìn)行權(quán)衡。設(shè)計(jì)人員使用Fiber-SIM軟件能快速可視化鋪層形狀和纖維方向，在設(shè)計(jì)階段即發(fā)現(xiàn)制造問(wèn)題，并采取相應(yīng)的糾正措施；從初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)直到最終的復(fù)合材料部件，F(xiàn)iber-SIM軟件已在復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)上得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)一種特殊結(jié)構(gòu)形式“工”字梁，介紹基于CATIA軟件如何運(yùn)用FiberSIM快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)。

1 工字梁結(jié)構(gòu)形式介紹

工字梁是一種比較常用的受力構(gòu)件結(jié)構(gòu)，因其截面類似“工”字而得名。復(fù)合材料工字梁零件一般需要四個(gè)鋪層組，見(jiàn)圖1。為了敘述方便將左右鋪層組、上下鋪層組分別用A鋪層組、B鋪層組、C鋪層組、D鋪層組表示。

工字梁制造時(shí)一般有兩塊模芯，先將A、B鋪層組鋪貼在兩塊模芯上，然后將兩塊模芯合在一起，在其表面鋪貼C、D鋪層組，如圖2所示。

為了盡量減少翹曲，降低殘余應(yīng)力，消除“耦合”應(yīng)力，復(fù)合材料設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能的保證鋪層對(duì)稱。在大部分工字梁的設(shè)計(jì)中，因其左右鋪層組對(duì)稱，上下鋪層組也對(duì)稱。所以在用FiberSIM進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般可先做出左（或右）側(cè)鋪層、上（或下）側(cè)鋪層，另兩處鋪層則可通過(guò)鏡像的方式獲得。

圖1 工字梁鋪層剖面示意圖

圖2 工字梁貼模面示意圖

2 CATIA幾何準(zhǔn)備

FiberSIM鋪層設(shè)計(jì)需要貼模面、設(shè)計(jì)邊界、制造邊界、原點(diǎn)、0°方向線、過(guò)渡邊界等幾何元素，因此，在進(jìn)行工字梁鋪層設(shè)計(jì)前需準(zhǔn)備好幾何體 （如圖3所示），并提取相應(yīng)幾何元素。在工字梁中因有四個(gè)鋪層組，故需分別創(chuàng)建四組FiberSIM鋪層設(shè)計(jì)所需的幾何集。

圖3 幾何體

2.1 A鋪層組幾何準(zhǔn)備

2.1.1 A鋪層組貼模面準(zhǔn)備

在準(zhǔn)備好的零件數(shù)模實(shí)體中提取其左側(cè)曲面，如圖4所示。對(duì)提取出來(lái)曲面抽取完整邊界，即為A貼模面的設(shè)計(jì)邊界。對(duì)提取出來(lái)的曲面各邊按需要進(jìn)行延長(zhǎng)，再用接合功能（）將貼模面接合，就得到了A鋪層組貼模面。此處應(yīng)注意一定要用接合功能（），因?yàn)檫@樣可以通過(guò)改變曲面法線方向來(lái)調(diào)整其鋪層生長(zhǎng)方向，即調(diào)整是陰模還是陽(yáng)模，如圖5所示，箭頭方向表示曲面法向，在FIBERSIM中默認(rèn)曲面法線方向?yàn)殇亴由L(zhǎng)方向。將貼模面的完整邊界提取出來(lái)，即得到A鋪層組的制造邊界。

圖4 A貼模面曲面選取

圖5 A貼模面

2.1.2 A鋪層組原點(diǎn)及0°方向線準(zhǔn)備

在貼模面上合適的位置取一個(gè)點(diǎn)，定義為鋪設(shè)原點(diǎn)，注意原點(diǎn)必須在貼模面上；以原點(diǎn)為頂點(diǎn)按主受力方向作一條直線定義為0°方向線，還需注意0°方向線必須是直線，否則，F(xiàn)iberSIM中坐標(biāo)系創(chuàng)建會(huì)提示錯(cuò)誤，創(chuàng)建后如圖6所示。

圖6 A鋪層組原點(diǎn)及0°方向線

2.1.3 A鋪層組過(guò)渡邊界準(zhǔn)備

當(dāng)零件的鋪層不全是完整鋪層時(shí)，需在CATIA中將不完整鋪層邊界做出，一般可采用投影、平行曲線、相交等命令得到，如圖7所示。

圖7 A鋪層組過(guò)渡邊界

2.2 B鋪層組幾何準(zhǔn)備

若B貼模面與A貼模面幾何完全對(duì)稱，可用鏡像的辦法生成B鋪層組的貼模面、設(shè)計(jì)邊界、制造邊界、原點(diǎn)、0°方向線等。若非完全對(duì)稱則需按2.1所示將B鋪層組幾何集做出。

2.3 C鋪層組幾何準(zhǔn)備

如圖2所示，實(shí)際的C貼模面在零件內(nèi)部，對(duì)C鋪層組等厚的零件可用零件外表面直接偏置的辦法獲得C貼模面，但實(shí)際零件中等厚鋪層比較少，較難得到內(nèi)部實(shí)際的C貼模面。故大部分情況下，用工字梁緣條外表面做C貼模面。

按2.1所示將C鋪層組的貼模面、設(shè)計(jì)邊界、制造邊界、過(guò)渡邊界、原點(diǎn)及0°方向線等幾何元素做出，如圖8所示。

圖8 C貼模面

2.4 D鋪層組幾何準(zhǔn)備

若D貼模面與C貼模面幾何完全對(duì)稱，可用鏡像的辦法生成D鋪層組的貼模面、設(shè)計(jì)邊界、制造邊界、原點(diǎn)、0°方向線。若非完全對(duì)稱需按2.1所示將D鋪層組幾何集做出。

3 FiberSIM鋪層設(shè)計(jì)

3.1創(chuàng)建A鋪層組鋪層

3.1.1 創(chuàng)建層合板（Laminate）A

進(jìn)入FiberSIM模塊，創(chuàng)建層合板A：鼠標(biāo)選中左側(cè)功能樹(shù)上的Laminate,在面板右側(cè)空白處右鍵點(diǎn)擊Create new,Standard標(biāo)簽定義層合板順序，使用字母A表示，Geometry標(biāo)簽里定義貼模面、設(shè)計(jì)邊界、制造邊界，在CATIA中選擇對(duì)應(yīng)創(chuàng)建的幾何。

3.1.2 創(chuàng)建坐標(biāo)系（Rosette）A

創(chuàng)建完了層合板，接下來(lái)要?jiǎng)?chuàng)建坐標(biāo)系：鼠標(biāo)選中左側(cè)功能樹(shù)上的Rosette，在面板右側(cè)空白處右鍵點(diǎn)擊Create new,Standard標(biāo)簽中“Laminate”選對(duì)應(yīng)層合板 “A”，“hand direction”中是定義坐標(biāo)系使用“right”（右手定則）還是“l(fā)eft”（左手定則），“Mapping type”是定義纖維的映射類型；Geometry標(biāo)簽定義“Origin”（原點(diǎn)）以及 “Deriction”（0°方向線），需在CATIA中選擇對(duì)應(yīng)創(chuàng)建的幾何。

3.1.3 創(chuàng)建A鋪層組

創(chuàng)建鋪層（Ply）時(shí)，選上功能樹(shù)中的Ply，右鍵在空白區(qū)域中Create new，Standard標(biāo)簽下定義代表鋪層順序的name(填PA0010、PA0020、PA0030……)，Parent（選擇3.1.1中定義的A層合板），Sequence（填A(yù)代表A鋪層組），、Step（填10、20、30……與name對(duì)應(yīng)），在材料庫(kù)中選擇材料，Rosette（選擇3.1.2中創(chuàng)建的坐標(biāo)系），在方向中選擇方向；Geometry標(biāo)簽下Boundary定義鋪層的邊界，點(diǎn)擊OK就創(chuàng)建了一個(gè)鋪層（Ply）。

按上述方法即可將A鋪層組的鋪層創(chuàng)建出來(lái)。

若零件的鋪層較復(fù)雜則可選擇用ACEE分區(qū)域的方法進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，此處不一一贅述。

3.2 創(chuàng)建B鋪層組鋪層

3.2.1 定義層合板B

按3.1.1所示創(chuàng)建層合板B，使用字母B表示。

3.2.2 創(chuàng)建坐標(biāo)系B

按 3.1.2所示創(chuàng)建坐標(biāo)系 B，此處需注意在Standard標(biāo)簽中 “Laminate”選“B”，“hand direction”中需選擇與坐標(biāo)系A(chǔ)不同的定則，即若坐標(biāo)系A(chǔ)使用“Right”（右手定則），則坐標(biāo)系B需選擇“Left”（左手定則），這樣選擇才能保證A、B坐標(biāo)系是對(duì)稱的。

3.2.3 創(chuàng)建B鋪層組

3.2.3.1 B鋪層與A完全對(duì)稱

若B鋪層組與A鋪層組完全對(duì)稱，則可通過(guò)CEE—Utilities—Symmetric Laminate命令實(shí)現(xiàn)對(duì)稱。選中該命令，在面板右側(cè)空白處右鍵點(diǎn)擊Create new，在 Source Laminate中選擇層合板 A，Source Rosette中選擇坐標(biāo)系A(chǔ)，Symmetric Laminate中選擇層合板 B，Symmetric Rosette中選擇坐標(biāo)系 B，Symmetric Plane選擇工字梁的腹板對(duì)稱面，點(diǎn)擊OK即可創(chuàng)建出B鋪層組。

此時(shí)雖然創(chuàng)建了B鋪層組，但其name和Sequence都與A鋪層組相同，需要將其改成B鋪層組的編號(hào)。鼠標(biāo)選擇功能樹(shù)上的Ply，在右側(cè)窗口區(qū)選擇所有 Parent為 B的鋪層，右鍵選擇“show select”，窗口中就僅剩B鋪層組的鋪層。點(diǎn)擊窗口上方的STEP讓鋪層按Step升序排列，全選后右鍵“modify”進(jìn)行更改，在name欄輸入“PB0010,10”（意為以PB0010開(kāi)頭，按+10遞增）,即可將B鋪層組的名稱改為“PB0010、PB0020、PB0030……”，Sequence欄輸入“B”。

3.2.3.2 B鋪層與A鋪層不完全對(duì)稱

若B鋪層組與A鋪層組大部分對(duì)稱，則可按上節(jié)3.2.3.1所示先用對(duì)稱的方法將B鋪層組做出，再對(duì)B鋪層組進(jìn)行修改。若B鋪層組與A鋪層組相差較大，則需按3.1.3所示創(chuàng)建鋪層。

3.3 創(chuàng)建C鋪層組鋪層

3.3.1 定義層合板C

按3.1.1所示創(chuàng)建層合板C，但需要注意的問(wèn)題是 Standard標(biāo) 簽中 “Sequence Order” 應(yīng) 選擇“Descending”，即此層合板是按倒序排列的，因?qū)嶋H工程操作中C層合板是如圖2所示貼在A、B鋪層組之上的,即C鋪層組是從遠(yuǎn)離C貼模面的位置開(kāi)始鋪貼的。

3.3.2 創(chuàng)建坐標(biāo)系C

按 3.1.2創(chuàng) 建 坐 標(biāo) 系 C，Standard標(biāo) 簽 中“Laminate”選“C”。

3.3.3 創(chuàng)建C鋪層組

按3.1.3所示將C鋪層組鋪層創(chuàng)建出來(lái)，這里需要注意的是此層合板是按倒序排列的，需注意鋪層編號(hào)的編制。

3.4 創(chuàng)建D鋪層組鋪層

3.4.1 定義層合板D

按3.1.1所示創(chuàng)建層合板D，但需要注意的問(wèn)題是Standard標(biāo)簽中“Sequence Order”應(yīng)與C鋪層組一樣選擇“Descending”。

3.4.2 創(chuàng)建坐標(biāo)系D

按3.1.2所示創(chuàng)建坐標(biāo)系D，在Standard標(biāo)簽中“Laminate”選“D”，“hand direction”中需選擇與坐標(biāo)系C不同的定則。

3.4.3 創(chuàng)建D鋪層組

若D鋪層組與C鋪層組完全對(duì)稱或部分對(duì)稱，則可按3.2.3.1所示鏡像C鋪層組，生成D鋪層組。

若D鋪層組與C鋪層組相差較多，則需按3.1.3所示創(chuàng)建鋪層。

3.5 鋪層顯示

鋪層創(chuàng)建結(jié)束，可用 “3D Cross Section”+“Core Sample”命令將零件的剖面鋪層圖做出，如圖9所示。

圖9 剖面鋪層圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了如何運(yùn)用Fibersim軟件進(jìn)行工字梁復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)工字梁鋪層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處在于，對(duì)稱鋪層組坐標(biāo)系的設(shè)置及上下緣條設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建的貼模面與實(shí)際貼模面不同。掌握了工字梁的鋪層設(shè)計(jì)，再進(jìn)行類似的“T”型筋，“J”型筋等的設(shè)計(jì)都可以采用類似的方法。

[1]復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：航空工業(yè)出版社.2001.

[2]洪都航空工業(yè)集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)化處.飛機(jī)導(dǎo)彈基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè).2006.