楊紀(jì)龍 景磊 汪浩 劉甲秋 朱楠 韓蓉

摘 要 復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器裝備中，復(fù)合材料成型通常采用對模成型工藝。模具設(shè)計(jì)過程中，外模加壓采用外加壓框螺栓頂絲設(shè)計(jì)。采用VB程序進(jìn)行調(diào)用宏功能記錄外加壓框建模的程序進(jìn)行編輯，將外加壓框建模程序變成VB可以調(diào)用的應(yīng)用程序，應(yīng)用VB和 Solidworks軟件進(jìn)行復(fù)合材料外加壓框模塊化設(shè)計(jì)，建立了復(fù)合材料外加壓框模塊化程序界面，減少外加壓框模具設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；外加壓框；模具設(shè)計(jì)；二次開發(fā)；模塊化處理；VB；Solidworks

Research on Modular Design of Composite External

Pressure Frame Based on VB and Solidworks

YANG Jilong¹，LING Lei¹，WANG Hao¹，LIU Jiaqiu¹，ZHU Nan¹，HAN Rong²

（1.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028;

2. Harbin Institute of Petroleum， Harbin 150028）

ABSTRACT Composite materials are widely used in aviation， aerospace， and weapon equipment， Composite material forming usually adopts the opposite mold forming process. During the mold design process， the external mold is pressurized using an external pressure frame bolt top thread design. Using VB programs to call macro functions， record external pressure box modeling， and edit the program， Transforming the external pressure frame modeling program into an application that VB can call， applying VB and Solidworks software for modular design of composite material external pressure frames， established modular program interface for composite material external pressure frame， Reduce the design time of external pressure frame molds，Improve design efficiency.

KEYWORDS composite material; external pressure frame; mold design; secondary development; modular processing; VB；Solidworks

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“環(huán)形樹脂基纖維復(fù)合構(gòu)件的力學(xué)性能分析與試驗(yàn)研究”（項(xiàng)目號LH2022E094）。

通訊作者：韓蓉，女，副教授。研究方向?yàn)椴牧铣尚?。E-mail：108503743@qq.com

1 引言

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體， 高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料，通過復(fù)合工藝制備而成，并具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料^［1］。1942年，美國率先使用玻璃纖維/不飽和樹脂復(fù)合材料，而后隨著社會(huì)的發(fā)展和科技技術(shù)的革新，新型增強(qiáng)材料、高性能纖維相繼問世。1967年，復(fù)合材料獨(dú)特的性能優(yōu)勢受到航空、航天產(chǎn)品的青睞^［2］。目前，復(fù)合材料已經(jīng)顯現(xiàn)出將要取代鋁合金，成為大型民用客機(jī)結(jié)構(gòu)主體材料的趨勢。戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)、通用航空飛機(jī)以及航天飛行器中的導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等也均大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)^［3］。隨著火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星構(gòu)件研制的發(fā)展，其更新?lián)Q代以及新型號研發(fā)周期縮短，對于型號的各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間也在壓縮。因此，要求模具設(shè)計(jì)師縮短模具設(shè)計(jì)時(shí)間。為了適應(yīng)現(xiàn)在的生產(chǎn)節(jié)奏，節(jié)約模具設(shè)計(jì)時(shí)間，可以通過VB等編程語言調(diào)用 API 函數(shù)與Solidworks軟件相結(jié)合，將模具模塊化，使模具設(shè)計(jì)更加方便快捷。

2 成型工藝過程概述

2.1 復(fù)合材料成型工藝

復(fù)合材料成型包括成型和固化兩部分，第一步成型是把復(fù)合材料預(yù)浸料按一定結(jié)構(gòu)和形狀鋪好層；第二步是固化，把鋪好層的預(yù)浸料在壓力等作用下固定形狀。常用的復(fù)合材料成型工藝包括拉擠成型工藝、纏繞成型工藝、自動(dòng)鋪放成型工藝、熱壓罐成型工藝、樹脂傳遞塑模成型工藝以及模壓成型工藝^［4］。

2.2 復(fù)合材料應(yīng)用及模具結(jié)構(gòu)組成

我國運(yùn)載火箭中的艙段結(jié)構(gòu)、井字梁構(gòu)件，衛(wèi)星上的承力筒、面板以及導(dǎo)彈殼體等均已實(shí)現(xiàn)一體共固化成型、模壓成型工藝。對模成型工藝的模具一般由芯模、內(nèi)分瓣、外分瓣、外加壓框、上法蘭和下法蘭等部分組成。芯模、外加壓框、外分瓣為鑄件，內(nèi)分瓣、上法蘭和下法蘭為板材件。

2.3 復(fù)合材料生產(chǎn)過程

復(fù)合材料產(chǎn)品生產(chǎn)過程中模具設(shè)計(jì)、加工時(shí)間占整個(gè)產(chǎn)品研制生產(chǎn)的60%，其中模具設(shè)計(jì)時(shí)間大約占10%。復(fù)合材料應(yīng)用越來越廣泛，各行各業(yè)對產(chǎn)品研制周期要求越來越短，因此，需要在新產(chǎn)品研制過程中縮短每一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的時(shí)間。首先，通過增加設(shè)備和加工時(shí)長來縮短模具加工時(shí)間；其次，通過增加人員、設(shè)備、生產(chǎn)時(shí)間來縮短產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗(yàn)時(shí)間。復(fù)合材料模壓成型工藝中大部分模具結(jié)構(gòu)類似，可以通過將類似的產(chǎn)品模具參數(shù)化，縮短模具設(shè)計(jì)時(shí)間。產(chǎn)品研制流程如圖1所示。

3 基于 VisualBasic和 Solidworks二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 基于Solidworks宏錄制代碼進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)建模

Solidworks具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，能夠快速、簡潔的完成任何產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以滿足設(shè)計(jì)師的需求。Solidworks內(nèi)部含有一整套的數(shù)據(jù)庫，可通過內(nèi)嵌的宏命令進(jìn)行錄制Solidworks建模過程，形成完整的產(chǎn)品建模數(shù)據(jù)。尺寸驅(qū)動(dòng)法在保持模型結(jié)構(gòu)不變的情況下，將產(chǎn)品模型中的尺寸設(shè)為變量，在建模程序中給建模變量賦值，應(yīng)用尺寸驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行Solidworks二次開發(fā)，通過改變建模變量達(dá)到同步更新模型的目的。

3.2 VB、Solidworks 二次開發(fā)

在對VB及SolidWorks二次開發(fā)的過程中，通常采用COM（組建對象模型）或者OLE（對象鏈接與嵌入）技術(shù)；利用Solidworks提供的大量API函數(shù)作為二次開發(fā)的接口，并且使用COM和OLE技術(shù)所能識(shí)別的VB或VC語言作為其編程語言^［5］。Solidworks的API對象結(jié)構(gòu)是一種自上而下的多層次的設(shè)計(jì)樹，如圖2所示。

根據(jù)Solidworks軟件進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)，稱為尺寸驅(qū)動(dòng)，是采用一組參數(shù)來表示尺寸值或尺寸約束關(guān)系，當(dāng)改變其中的驅(qū)動(dòng)參數(shù)值時(shí)，模型數(shù)據(jù)信息會(huì)根據(jù)尺寸約束關(guān)系動(dòng)更新，從而實(shí)現(xiàn)模型更改。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 外加壓框結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的更改，艙體外加壓框需要設(shè)計(jì)者不斷修改，根據(jù)設(shè)計(jì)者多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，外加壓框結(jié)構(gòu)如圖3所示，其參數(shù)大致包括7個(gè)部分，法蘭厚度b1、法蘭寬度b2、外加壓框壁厚b3、外加壓框肋板厚b4、外加壓框總高H、外加壓框內(nèi)徑R1和肋板數(shù)量n，外加壓框的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4所示。

4.2 外加壓框程序建立

SolidWorks二次開發(fā)艙體外加壓框的過程中，利用SolidWorks宏功能記錄外加壓框建模程序。采用VB程序進(jìn)行調(diào)用宏功能記錄外加壓框建模的程序進(jìn)行編輯，將外加壓框建模程序變成VB可以調(diào)用的應(yīng)用程序。首先通過SolidWorks設(shè)計(jì)外加壓框并把外加壓框外形生成的全過程經(jīng)過宏記錄轉(zhuǎn)變成宏文件，把宏文件和復(fù)合材料外加壓框與生成程序結(jié)合。找出SolidWorks宏文件中與復(fù)合材料外加壓框生成有關(guān)的關(guān)鍵函數(shù)。確定關(guān)鍵函數(shù)中的關(guān)鍵常數(shù)，弄清關(guān)鍵常數(shù)的變化對復(fù)合材料外加壓框建模的影響。把復(fù)合材料外加壓框上的關(guān)鍵常數(shù)用變量替換，這樣就完成了復(fù)合材料外加壓框的程序建立。

對Solidworks宏中錄制的外加壓框的操作代碼進(jìn)行整理，編制如下：

Dim swApp As Object

Dim As Object

Dim boolstatus As Boolean

Dim long status As Long， long warnings As Long

Dim b1 As Double

Dim b2 As Double

Dim b3 As Double

Dim b4 As Double

Dim n As Double

Dim R1 As Double

Dim H As Double

Dim pi As Double

Private Sub Command1_Click （）

b1 = Val（Text1.Text） / 1000

b2 = Val（Text2.Text） / 1000

b3 = Val（Text3.Text） / 1000

b4 = Val（Text4.Text） / 1000

H = Val（Text5.Text） / 1000

R1 = Val（Text6.Text） / 1000

n= Val（Text7.Text） / 1000

pi = 3.1415926

Dim swApp As Object

Set swApp = Create Object （"SldWorks. Application"）

swApp.Visible （True）

Dim As Object

Set = swApp.new

Set = swApp.ActiveDoc

…………

首字段 聲明變量 將文本框中的值轉(zhuǎn)化成數(shù)值到變量b1 b2 b3 b4 H R1 n中。

應(yīng)用VB軟件，通過程序段的編制、軟件控件的設(shè)計(jì)、窗口的設(shè)計(jì)等，建立新的建模界面，如圖5所示。

通過外加壓框結(jié)構(gòu)的程序界面控制，只要修改對應(yīng)參數(shù)，即可一鍵式建模操作，能極大縮短了設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)、更改模型的時(shí)間。

5 結(jié)語

本文是基于VB和 Solidworks復(fù)合材料外加壓框設(shè)計(jì)模塊化的研究，將復(fù)合材料外加壓框模具進(jìn)行參數(shù)化處理，結(jié)合SolidWorks 軟件和VB軟件建立外加壓框結(jié)構(gòu)程序界面，完成一鍵式復(fù)合材料外加壓框設(shè)計(jì)，簡化了復(fù)合材料外加壓框設(shè)計(jì)過程，讓技術(shù)人員減少相似零件的重復(fù)性設(shè)計(jì)，節(jié)約產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］陳祥寶.聚合物基復(fù)合材料手冊［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：4-5．

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［3］張佐光.復(fù)合材料學(xué)科發(fā)展研究. 2014－2015航空科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告.2015.

［4］孫宗平.復(fù)合材料耐壓殼的設(shè)計(jì)［D］. 東華大學(xué)， 2022.

［5］趙盼，張燕，薛峰，李健.基于SolidWorks二次開發(fā)的零件三維參數(shù)化設(shè)計(jì)及裝配［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（7）：1674-1679.

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