基于MBD復合材料結構設計與表達技術

中航通飛研究院有限公司 孫銀寶 陳 娟 楊 軍

先進復合材料的應用技術一直引領航空航天技術的進步，在數字化技術研究應用方面，從二維圖紙與模板樣板結合階段發(fā)展到目前普遍采用的三維數模加二維圖紙的方式。三維數模結合二維圖紙的方式通過復合材料專用設計模塊（CPD或Fibersim軟件）進行參數化實體建模，直觀地表達了產品的立體結構、鋪層信息，提高了設計效率和產品質量；同時數字化制造設備連接實現自動下料、激光鋪層定位和纖維自動鋪放等數字化制造，大大提高了生產效率。但由于三維建模只能表達產品的幾何模型，不能表達必需的工藝信息（如設計基準、尺寸精度、技術要求等非幾何信息），制造人員需要二維圖紙才能把零件加工出來。然而在三維模型在轉化為二維圖紙的過程中，難免出現信息不對應、表達不清晰等問題[1-4]。

1994年，波音公司在研制777飛機時就提出了無紙化的思路，逐漸演變成MBD技術，拋棄了原有的以三維為主、二維圖紙為輔的設計方法，將產品圖紙全部模型化，開創(chuàng)了全三維數字化結構設計的先河。隨著計算機技術的發(fā)展和三維CAD技術的成熟與普及，國內航空廠所大力推進MBD技術的發(fā)展。MBD技術充分利用三維模型直觀、可視化和準確表達的特點，將產品全生命周期中所需的幾何信息和非幾何信息，以注釋或屬性的方式附加到三維模型中，從而使三維模型成為生產制造過程中的唯一依據，使設計人員擺脫了繁重瑣碎的二維制圖工作，提高了設計信息表達和傳遞的速度。

圖1 MBD模型的定義

復合材料結構件成型與材料成型同時進行、同時完成的特點，決定了復合材料設計、制造密不可分。在復合材料結構設計過程中引入MBD數字化技術，定義、傳遞和管理復合材料研制過程中所包含的全部數字化信息及這些信息的關聯(lián)，可以保證設計、制造數據源的唯一，從根本上改變傳統(tǒng)的復合材料設計制造方式，大幅度地提高復合材料設計制造水平。

復合材料MBD模型概述

復合材料結構設計模型為后續(xù)的分析、制造等環(huán)節(jié)提供數據輸入。全三維數字化結構設計中復合材料MBD模型是復合材料結構設計的最終表達，并且貫穿于整個復合材料研制過程（圖1）。因此復合材料數字化建模是復合材料設計制造一體化的基礎，通過MBD模型集成復合材料設計、分析、制造、檢測所需的幾何信息和非幾何信息，完全擺脫傳統(tǒng)二維設計模式，真正實現數據的唯一，使復合材料設計和表達更為簡潔，更具效率[5-6]。

采用MBD技術對產品數據進行表達后，MBD產品數據模型是對產品零部件信息完整描述的數據集。該數據集關聯(lián)了產品的三維幾何信息、零件信息以及描述一個產品所必需的尺寸、公差和注釋信息。按照MBD模型信息的組成，MBD模型采用產品結構特征樹的方法來組織和管理所有模型的幾何信息和非幾何信息。MBD產品結構特征樹通過關聯(lián)各種類型信息節(jié)點的方法，有效地組織了MBD模型中的設計模型、標注和屬性等信息，解決了大量設計數據的組織管理問題。

幾何信息

零件模型幾何信息描述產品形狀、尺寸信息等。幾何信息包含基準、標注平面、尺寸、幾何圖形公差、注釋、粗糙度、連接定義、標注輔助幾何元素、捕獲等。幾何信息除了在三維實體上標注外，還在結構樹上自動生成節(jié)點。復合材料三維標注在保證設計要求的前提下，尺寸標準應有利于加工檢測。尺寸標注允許簡化，如按一般公差制造的尺寸可在三維模型中不標注。為了在三維模型中快速查找與使用各類信息，必須采用相關方法和按照一定規(guī)則對標注信息進行分類管理和顯示。在CATIA系統(tǒng)中，采用捕獲方式來實現這種需求。捕獲是預先定義的模型視圖，是CATIA軟件系統(tǒng)中的一個視角方向的信息記錄，它記錄了使用者從哪個最清晰的視角觀察產品的幾何模型，用于幫助理解和檢查模型。三維模型應根據需要建立所需捕獲的數量，原則上應準確、清晰、全面地反映所有信息。每個捕獲面應有明確的標識，應使用最能描述視角所反映信息的類型進行標識，如標注信息的特性與類型、視角方向等。所有的捕獲信息組織在標注集節(jié)點下的捕獲分類節(jié)點中，以達到方便管理和后續(xù)應用的目的。一般情況下至少要有3個捕獲，只表達幾何模型的捕獲，包含幾何模型和標注基準的捕獲，包含幾何模型、標注基準、全部尺寸標注的捕獲；如果發(fā)生更改，還應建立更改捕獲。如果是關鍵件和重要件，則需建立關重件特性捕獲。某型飛機復合材料層合板結構設計的捕獲項如圖2所示。捕獲內容包含基本視圖、鋪層坐標系、貼膜面、鋪層定義、玻璃布、基準視圖、膠接區(qū)域和無損檢測B區(qū)等信息，這些信息在標注集中進行統(tǒng)一管理。

1 材料信息

復合材料構件因其自身的特殊性，其主要特點為材料可設計性。在用CATIA V5進行復合材料結構設計之前，應建立統(tǒng)一的材料庫，材料庫中應包含設計所需的所有材料，且每種材料的物理特性應與實際特性一致。材料屬性中應包含材料名稱、材料類型、固化前厚度、固化后厚度、纖維寬度、單位面積重量、密度、鋪層方向等信息。若可以還應包含材料標準或規(guī)范名稱、毛料尺寸以及允許替換的材料名稱。

圖2 捕獲內容標注集

復合材料零件不同于金屬零件處在于可能不只包含一種材料，如混雜復合材料零件、蜂窩或泡沫夾層復合材料零件等。蜂窩夾層結構包含上、下面板的材料，蜂窩材料，還有面板與蜂窩膠接的膠層材料，如果考慮到密封因素還可能包含封邊材料；如果要對蜂窩芯加強還可能包含發(fā)泡膠材料；如果蜂窩需拼接還包含拼接膠材料；如果零件為飛機外表面，可能還包含防雷擊膠膜等；如果需要考慮與金屬材料的電化學腐蝕問題還可能包含玻璃纖維材料，因此復合材料零件賦材料的方法不能簡單照搬金屬零件賦材料方法。某型飛機復合材料零件的材料信息如圖3所示。

圖3 材料屬性信息

2 鋪層信息

鋪層是復合材料構件的基本元素，對構件力學性能具有決定性的影響，因此對鋪層狀態(tài)的精確定義和準確控制是復合材料構件設計最重要的目標之一[7]。復合材料不同部位的載荷條件和結構形式不相同，需設計的鋪層角度、鋪層比例和鋪層順序不一致。同時，也需要有良好的復合材料鋪層厚度和鋪層順序，使得不同位置的復合材料鋪層設計協(xié)調[8]。

復合材料結構建模的核心是鋪層設計。鋪層包括鋪層材料、鋪放表面、鋪層邊界、鋪層原點、鋪設角度和鋪放順序等數據。其中鋪放表面、鋪層邊界和鋪層原點分別與相應的幾何特征相關聯(lián)，鋪設角度定義鋪層纖維的鋪設方向。所有鋪層的定義數據按照鋪放順序組織在一起構成復合材料構件的材料鋪放數據，定義材料的內部結構[6]。每一層的鋪層信息是相對獨立存在的，每一層的鋪層信息應在結構樹中進行清晰表達。不同的鋪層角度應設置不同的顏色以示區(qū)別。鋪層坐標系應建立在當前鋪層區(qū)域內，建模過程中應用到的坐標系應與標注中的坐標系保持一致，一般情況下，X軸正方向設定為0°方向，Y軸方向設定為90°方向。1個鋪層集對應1個坐標系，當一個零件的鋪層由若干個鋪層集組成，且用1個坐標系無法表達清楚時，需分別建立獨立的坐標系。鋪層的邊界應反映真實的零件邊界，且應適當考慮工藝部門鋪貼、裝配余量的要求，以減少工藝部門制造數據集的設計時間，縮短零件的研制周期。

非幾何信息

為滿足工藝制造、裝配、檢測等要求，MBD三維模型還應包含相關的非幾何信息。非幾何信息標注在結構樹上。非幾何信息包括模型屬性、對稱信息、更改說明、通用注釋、零件注釋、旗注說明、熱表處理注釋、裝配注釋等信息。模型屬性信息主要指零部件的編號、名稱、成熟度、零部件類型、特性分類、重量等。對稱信息指零件是否為對稱件的說明。更改說明記錄更改的相關信息。通用注釋是對零件的一般描述和說明的幾何圖形集，不要求關聯(lián)性，主要包含企業(yè)標識、知識產權、密級控制、生產控制、出口控制等通用類信息。零件注釋是零件制造所需要的工程注釋，主要包含一般公差、未注圓角、標印標記、制造工藝、檢測方法等信息。旗注說明指模型中旗注的詳細說明，旗注僅適用于模型的局部區(qū)域。熱表處理主要指零件的表面處理、熱處理以及表面防護等要求。如果是裝配件還應包含裝配注釋，裝配注釋主要指表面質量、裝配工藝等信息。

結束語

基于MBD的復合材料結構設計通過MBD產品結構數據集組織和集成三維模型的幾何信息和非幾何信息，完整地表達設計、分析、制造、檢驗等復合材料研制過程中所必須的信息。復合材料結構與金屬結構建模表達的區(qū)別主要在于復合材料結構件包含鋪層信息的表達，以及多種材料信息的表達。基于MBD的復合材料結構設計與表達技術，不僅清晰地反映了復合材料結構件的材料及鋪層的信息，而且避免了復合材料三維模型向二維圖紙轉換的繁瑣和失誤，保證了數據表達的唯一性和正確性，從真正意義上實現了復合材料設計制造一體化，提升了復合材料設計的效率，縮短了復合材料產品研制周期。

[1]殷宏,張立旻,曹景斌.復合材料件基于MBD的數字化定義技術研究.第17屆全國復合材料學術會議論文集.2012:159-162.

[2]寧俊義.MBD模式下復合材料設計信息的表達和傳遞.第17屆全國復合材料學術會議論文集.2012:163-169.

[3]梁勇芳,張友強.復合材料數字化技術的研究進展與應用.塑料工業(yè),2009,37(12):1-4.

[4]白彬,朱文華,李寶瑞,等.設計MBD模型及其在特征加工中的應用.現代制造工程,2014(3):95-99.

[5]徐榮欣,張慶茂,楊軍.復合材料構件數字化建模技術研究.航空制造技術,2010(9):64-67.

[6]張麗華,范玉青.復合材料構件設計、分析、制造一體化.宇航材料工藝,2010(1):15-18.

[7]戴棣,梁憲珠,陳利平.計算機與復合材料構件制造過程的模式轉變.航空制造技術,2006(1):46-49.

[8]陳娟,王詠梅,田憲偉.基于骨架模型的復合材料結構設計研究.航空制造技術,2013(15):48-50.