全三維的復(fù)合材料升降舵結(jié)構(gòu)設(shè)計與表達(dá)技術(shù)

文/于萍

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全三維的復(fù)合材料升降舵結(jié)構(gòu)設(shè)計與表達(dá)技術(shù)

文/于萍

0　引言

復(fù)合材料由于其本身具有的優(yōu)異性能已被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，在飛機(jī)上的應(yīng)用從口蓋、整流罩到次級承力結(jié)構(gòu)的操縱面開始，已逐步過渡到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。波音787飛機(jī)的復(fù)合材料用量已達(dá)到了50%，采用先進(jìn)的纏繞工藝制造的整體化機(jī)身結(jié)構(gòu)技術(shù)成功引導(dǎo)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造的發(fā)展方向。為提高某大型水陸兩棲飛機(jī)的市場競爭力，升降舵等操縱面全部采用復(fù)合材料設(shè)計。本文根據(jù)飛機(jī)設(shè)計手冊和民用飛機(jī)適航條例CCAR25部，以CATIA三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、PATRAN/NASTRAN有限元分析技術(shù)、MBD表達(dá)技術(shù)為依托，完成復(fù)合材料升降舵的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1　CATIA三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

1.1骨架模型建立

根據(jù)總體提供的升降舵理論外形，參考復(fù)合材料設(shè)計手冊及其他相關(guān)機(jī)型的設(shè)計經(jīng)驗，升降舵采用加筋壁板的結(jié)構(gòu)形式，多點懸掛的單梁多肋式結(jié)構(gòu)。確定舵面梁、后墻、肋、長桁和接頭的站位位置，形成升降舵骨架模型。

1.2復(fù)合材料鋪層設(shè)計

打開CATIA的COMPOSITES DESIGN模塊，首先建立材料庫，材料庫的建立方法是composites parameters/Add materials/雙擊文件/選擇已建立好的材料庫，完成材料創(chuàng)建。

根據(jù)強(qiáng)度輸入的鋪層要求，開展鋪層設(shè)計。CPD建模有三種方法：網(wǎng)格法（Grid design）、區(qū)域法（Zone）、手鋪法（Ply by Ply）。對于曲率小、鋪層數(shù)多的舵面蒙皮、梁等適合采用網(wǎng)格法設(shè)計，對于肋等鋪層數(shù)少且厚度區(qū)域變化不大的結(jié)構(gòu)適合采用手鋪法設(shè)計，對于長桁等結(jié)構(gòu)適合采用區(qū)域法進(jìn)行設(shè)計。

以升降舵下蒙皮為例，進(jìn)入COMPOSITES DESIGN模塊后，雙擊composites parameters圖標(biāo)，選擇材料定義鋪層方向及顏色，確定后開始鋪層設(shè)計。

網(wǎng)格法設(shè)計的基本步驟：①點擊Grid Panel definition標(biāo)識，創(chuàng)建基本鋪疊面和鋪層坐標(biāo)系，以長桁、肋、梁等為單元劃分網(wǎng)格，定義鋪層組。②點擊Grid definition標(biāo)識定義鋪層信息。③點擊Virtual stacking management標(biāo)識建立鋪層管理系統(tǒng)。④點擊 Plies generation生成鋪層。⑤點擊 Create iso-thickness areas生成等厚度區(qū)域。⑥點擊Create junction line from iso-thickness areas建立等厚度區(qū)域的連接。⑦點擊Create Solid from Iso-thickness areas標(biāo)識生成實體鋪層（如圖1所示）。

圖1　網(wǎng)格法鋪層設(shè)計流程

2　MBD表達(dá)技術(shù)

通過CATIA的CPD模塊進(jìn)行參數(shù)化實體建模后，可以直觀地表達(dá)出產(chǎn)品的立體結(jié)構(gòu)、鋪層信息，但無法表達(dá)必須的工藝信息（如設(shè)計基準(zhǔn)、制造基準(zhǔn)、尺寸精度、技術(shù)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(zhuǎn)化為二維圖紙的過程中，難免出現(xiàn)信息不對應(yīng)、表達(dá)不清晰等問題。

MBD技術(shù)在CPD設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品全生命周期中所需的幾何信息和非幾何信息，以注釋或?qū)傩缘姆绞礁郊拥饺S模型中，真正實現(xiàn)零圖紙、保證設(shè)計、制造的數(shù)據(jù)唯一性，提高設(shè)計及生產(chǎn)工作效率。

以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的升降舵肋為例，為完整地表達(dá)設(shè)計要求及工藝信息，可將標(biāo)注信息分成幾何信息和非幾何信息兩類。其中，幾何信息包括基準(zhǔn)貼膜面、鋪層坐標(biāo)系、鋪層信息、材料信息、幾何圖形公差、粗糙度等，可通過注釋或捕獲（如圖2所示）的方式表達(dá)。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，可直接標(biāo)注在結(jié)構(gòu)樹上（如圖3所示）。

圖2　幾何信息標(biāo)注示意圖

圖3　非幾何信息標(biāo)注示意圖

3　結(jié)束語

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，先進(jìn)的材料和技術(shù)是制造業(yè)發(fā)展的核心。復(fù)合材料的整體化成型可有效提高生產(chǎn)、裝配效率，減少緊固件的使用，提高經(jīng)濟(jì)效益。全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的升降舵與金屬結(jié)構(gòu)相比，減重效率達(dá)到26%，由此可見，復(fù)合材料的分析技術(shù)的應(yīng)用可有效地促進(jìn)我國航空事業(yè)的發(fā)展。

作者簡介：于萍（1987-），女，工程師，碩士研究生，任職于中航通飛研究院有限公司，從事飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。