復合材料數(shù)字化技術應用研究

摘要：文章將復合材料數(shù)字化技術環(huán)境以及哈飛公司數(shù)字化技術的研究情況與傳統(tǒng)的復合材料制造方法對比，總結出了復合材料數(shù)字化制造的優(yōu)點，并提出數(shù)字化技術是今后航空企業(yè)發(fā)展的主要方向。

關鍵詞：復合材料；數(shù)字化；FiberSIM

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0010-04

從數(shù)字化技術應用角度，我國航空企業(yè)的復合材料數(shù)字化設計制造技術仍處于很低的水平，僅是某些數(shù)字化單項技術的應用，不具有組合性和連續(xù)性。

而歐美的航空公司（波音和空客）在飛機研制中將數(shù)字化技術應用到設計、制造、管理的整個過程當中，從最初的設計建模，到工藝準備、工裝設計，再到后期的產(chǎn)品檢驗，每個環(huán)節(jié)無一不用到了數(shù)字化技術。國外的這些應用成果表明，必須建立集成的數(shù)字化設計制造環(huán)境，這樣才能真正地打通復合材料構件數(shù)字化生產(chǎn)線，打造出飛機復材結構件的精品。

1 復合材料數(shù)字化設計與制造環(huán)境

1.1 設計數(shù)字化

1.1.1 目前的軟件環(huán)境。建立了以萬兆以太網(wǎng)為干線的企業(yè)園區(qū)網(wǎng)，擁有上千臺先進計算機、大型服務器和PDM系統(tǒng)等良好的硬件基礎。擁有CATIAV4、CATIAV5工作平臺，實現(xiàn)了復合材料構件100%的計算機輔助設計。擁有復合材料專用設計軟件FiberSIM、Covers、CPD，結構分析軟件MSC、Patran、Nastran、Dytran、Fatigure、Beasy、Nasgrow、優(yōu)化軟件COMPASS等。圖1和圖2為應用設計軟件進行數(shù)字化設計。

1.1.2 FiberSIM和CPD工程設計軟件。FiberSIM和CPD軟件是集成于CAD系統(tǒng)中的一個軟件工具包，它可以使CAD系統(tǒng)成為高性能的設計和制造復合材料零件的軟件工具。FiberSIM和CPD軟件可以進行復合材料零件的結構分析、工程設計、曲面展開、鋪層定義、自動排料等，并通過相應接口將定義信息傳遞至自動剪裁機、激光鋪層定位儀和檢測設備，完全取消了圖紙并提供了復合材料零件數(shù)字化定義的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，不會由于不正確或不完整的尺寸以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯誤造成返工，極大地減少了檢驗工作量，產(chǎn)品精度大大提高。

1.1.3 生產(chǎn)制造數(shù)字化復合材料的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)能力與生產(chǎn)設備關系緊密，生產(chǎn)規(guī)模的擴大與產(chǎn)品質(zhì)量的提高都要有高質(zhì)量的設備作基礎。哈飛的復合材料發(fā)展的每一個階段，都配備了與生產(chǎn)發(fā)展相配套的設備。到目前為止，我廠已經(jīng)具備鋪層定位系統(tǒng)、數(shù)控下料機等工藝設備。表1為我廠復合材料主要生產(chǎn)設備。

1.2 銑床

1.2.1 自動鋪帶系統(tǒng)。復合材料制造工時中，手工鋪層所需工時約占總工時的60%或更高，而且質(zhì)量不穩(wěn)定（一般鋪層取向有±2°的誤差，鋪層間隙不均勻）。纖維纏繞法鋪層自動化、效率高，多用于形狀規(guī)則的筒形、板形構件，為此開發(fā)了ATL（Automated Tape Laing）自動鋪帶技術。

ATL技術中鋪放頭單軸向運動，只能鋪30°范圍內(nèi)的外形，帶寬3～12英寸，鋪帶速度為每分鐘40m。美國波音Cinati Machine與Cytec共同努力于70年代中期開始研制自動鋪帶機，現(xiàn)已發(fā)展了三代Tape Laing Machine：

第一代：平面、窄帶、帶寬3英寸

第二代：大型平面、寬帶、帶寬12英寸

第三代：鋪曲面，稱“外形鋪帶機”CTLM

主要工作過程：預浸料分配→稍加熱→與紙分離→鋪下、切斷、壓實，關鍵是鋪帶頭，具有扇形端，隨零件外形走動、均勻施壓。該技術可節(jié)省86%的鋪貼工時，10%的材料，廢品率僅3%～5%，手工為25%～30%。取向均勻性都比手工鋪貼好，提高了制件的精度和質(zhì)量，降低了成本。據(jù)悉，目前已售出50多臺，價格約為每臺300萬美元。

1.2.2 自動鋪絲系統(tǒng)。由于帶子太寬，所以ATL技術難于鋪出有雙曲率的形狀復雜的構件，因此，在ATL技術和纖維纏繞技術的基礎上發(fā)展了AFP（Automated Fiber Placement）自動纖維鋪放技術，該技術自20世紀80年代中期研發(fā)，1989年Cincinati Machine設計了第一臺AFPM，并于1990年交付使用。

AFP技術中，絲束是預浸無捻纖維束，寬度為3mm的窄帶，厚度0.14mm，長度以km計，鋪放速度為每分鐘6m，計算機程序控制，鋪放精度可達3‰，鋪層時可進行壓實或固化。

窄的絲束可以更好地控制纖維取向，只增強那些應該增強的部位，而不會將周圍部分隨之過分增強。由于鋪放頭可以單獨鋪放及切割每一絲束，所以AFP技術易于構成厚截面和變截面以及制造幾何形狀復雜的大型構件，并且具有速度快、精度高、質(zhì)量好、材料利用率高的特點，加上大面積整體成形技術可降低成本50%。自動纖維鋪放機如圖3所示：

1.2.3 自動下料系統(tǒng)。為減少手工下料錯誤，使下料過程更準確、更快捷，采用專門的數(shù)控切割設備來進行預浸料的平面切割。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)文件被用于控制切割設備的運行，從而避免手工操作不可缺少的切割樣板，有助于為鋪層排料和特形銑等后續(xù)應用提供必要的信息。

1.2.4 激光鋪層定位系統(tǒng)。激光鋪層定位系統(tǒng)是由一個工作站附帶若干臺鋪層定位儀而構成的。工作時定位儀將激光投射在工裝的定位元件上。確定位置后即開始工作，按工作站預先編制的軟件將激光投射在工裝預定的區(qū)域，表明要鋪層的位置、形狀、材料種類代號及方向。該系統(tǒng)不僅提高了鋪層準確性，而且實現(xiàn)了整個過程脫離圖紙，從而極大地提高了勞動生產(chǎn)率。

2 研究內(nèi)容與過程

本課題以轉(zhuǎn)包B787復合材料翼身整流罩494Z2202-3為基礎，研究復合材料數(shù)字化技術的應用。首先，哈飛的設計、工藝和質(zhì)量人員對波音公司提供的《纖維增強復合材料件制造規(guī)范》（BAC5317）要求統(tǒng)一認識。其次，分析波音公司提供的復合材料板件數(shù)模，按規(guī)范要求進行鋪層擴展補充設計，并生成供制造車間數(shù)控切割設備下料的鋪層展開圖和供激光鋪層定位系統(tǒng)投影的激光投影程序。最后，由制造車間對鋪層展開圖進行排板下料，并按激光鋪層定位系統(tǒng)的投影和BAC5317要求進行鋪層，鋪層結束后，按規(guī)定的溫度、壓力和時間進行固化。固化結束后進行切邊鉆孔，并按BAC5317要求進行C掃描和無損檢測（NDI）。

B787復合材料翼身整流罩板件曲面比較復雜，零件的結構尺寸為2700×1300mm，板件均為蜂窩夾層結構，采用對稱設計，鋪層主要以0°、±45°和90°三種為主，在每一個件中至少有10%某方向的鋪層，以防止樹脂直接受力。鋪層遞減寬度相等，均大于或等于2.54mm，以避免層剪破壞。該件有6塊蜂窩，6塊蜂窩為變厚度蜂窩，厚度為25.4～46mm不等，加工起來非常困難。蜂窩邊緣采用切20°

角形式，采用大圓角過渡，板件鋪層為29層。

B787板件所選用的材料為環(huán)氧膠膜（BMS5-154）、鋁箔（BMS8-336）、玻璃纖維環(huán)氧加強布（BMS8-79）、碳纖維環(huán)氧加強布（BMS8-168）和泰德拉膜，在上表面蒙皮采用一層厚0.1mm的鋁箔來達到防雷擊的目的。

以上所有零件的幾何形狀、結構尺寸、尺寸公差、材料屬性、工藝信息都包含在CATIA數(shù)模和FiberSIM軟件中。圖4為用FiberSIM軟件顯示板件模型各種設計信息。

根據(jù)每一層的邊界生成投影文件；根據(jù)每一層的展開圖生成下料文件，將這兩個文件分別輸入到投影設備和下料設備中，投影設備在工裝表面投影出每一層的輪廓，自動下料機按照下料文件上的信息在預浸料上裁減出每一層的平面展開狀態(tài)的形狀，最后將下料機裁減出的每一層按照工裝上所投影出的輪廓鋪貼上去，當所有層都鋪貼完成后到熱壓罐里固化成形，經(jīng)過切割最終成型出產(chǎn)品。

3 結語

通過對波音787翼身整流罩的數(shù)字化設計與制造研究，應用復合材料數(shù)字化設計制造技術與傳統(tǒng)設計、制造方法相比：制造周期縮短30%；原材料節(jié)省20%。

通過對復合材料數(shù)字化技術應用進行全面研究，可以極大地推動我國復合材料設計與制造水平，實現(xiàn)復合材料設計、工藝、制造一體化，數(shù)字化技術的應用將成為今后我國航空企業(yè)工段技術的主要發(fā)展方向。

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作者簡介：張鵬宇（1980-），男，遼寧阜新人，供職于中航工業(yè)哈飛飛機設計研究所，研究方向：飛機結構設計。

（責任編輯：王書柏）