復(fù)合材料模具模塊化、規(guī)范化、數(shù)字化快速設(shè)計研究

韓志仁，賈 琛，何萬飛，石章虎，孫 浩

（1. 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136；2. 沈陽航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136；3.航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

復(fù)合材料具有重量輕、強度高等特點使其在航空工業(yè)領(lǐng)域有著無可比擬的應(yīng)用前景，采用高比強度、高比剛度的復(fù)合材料能夠在保證飛機結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上大幅減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量，極大提高結(jié)構(gòu)效率[1]。因此，復(fù)合材料已經(jīng)成為航空工業(yè)領(lǐng)域繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展成四大結(jié)構(gòu)材料之一，其用量成為航空工業(yè)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的標(biāo)志之一[2]。

復(fù)材構(gòu)件成型與常規(guī)金屬材料成形不同，復(fù)合材料構(gòu)件的成型是材料與結(jié)構(gòu)同時成型的過程，且通常在模具中完成，構(gòu)件固化成型完成后不需要加工或只需少量加工。飛機上的復(fù)合材料構(gòu)件外形大多要求曲面、薄壁、高精度，這種類型的構(gòu)件需要模具保證加工精度[3]。數(shù)字化設(shè)計能夠很好地保障模具的加工精度，使復(fù)合材料構(gòu)件成型后不需要加工或只需少量加工即可滿足設(shè)計要求。

在傳統(tǒng)的模具設(shè)計過程中，較為依賴模具設(shè)計人員的知識和經(jīng)驗，導(dǎo)致不同設(shè)計者設(shè)計出的模具細(xì)節(jié)尺寸上存在差異[4-5]。復(fù)合材料成型模具數(shù)字化設(shè)計應(yīng)該與規(guī)范化設(shè)計結(jié)合起來，保證在模具設(shè)計中減少重復(fù)設(shè)計工作[6-7]。將前人經(jīng)驗和知識進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)地提煉，在快速設(shè)計中預(yù)設(shè)初值，設(shè)置規(guī)范參數(shù)范圍。設(shè)計人員根據(jù)預(yù)設(shè)值可最大限度減少設(shè)計重復(fù)勞動工作，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本[8]。

復(fù)合材料模具數(shù)字化設(shè)計中，采用敏捷開發(fā)原則，將整個設(shè)計拆分為小模塊，把小模塊的生存周期控制在一個迭代內(nèi)，降低風(fēng)險，杜絕錯誤出現(xiàn)累加情況，同時也保證需要修改時，能夠快速地調(diào)整。有效降低時間成本，縮短設(shè)計周期。

本文以滿足實際設(shè)計需求、提高設(shè)計效率為目標(biāo)，提出復(fù)合材料模具快速設(shè)計的思路，基于航空工業(yè)主流設(shè)計制造軟件CATIA，開發(fā)一套復(fù)合材料模具快速設(shè)計系統(tǒng)。

1 復(fù)合材料構(gòu)件模具結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料構(gòu)件成型模具結(jié)構(gòu)隨著工藝方法不同而有各種不同的結(jié)構(gòu)，典型的是熱壓罐成型的框架式模具。這種結(jié)構(gòu)的模具具有足夠的剛度強度、良好的熱傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性、重量輕、成本低、易于加工和方便運輸?shù)葍?yōu)點，大量應(yīng)用于復(fù)合材料成型過程中[9-10]。典型的航空復(fù)合材料模具樣式如圖1所示，主要包括模具型面、支撐板、底架和輔助元件等部分。

1.1 型面

復(fù)合材料構(gòu)件一般由一塊或幾塊曲面零件拼接而成，提取工藝成型面時需要保證提取完成的成型面符合加工要求且保證符合零件的外形尺寸。成型工藝面通過進(jìn)行修補孔位、外延、拉伸等操作完成最終確定的模具型面，為模具體快速設(shè)計提供成型依據(jù)。型面外形如圖2所示。

1.2 支撐板

模具支撐板分為X向支撐板和Y向支撐板,是模具的主體部分，支撐板位于型面與模具底面之間，主要作用是支撐、固定型面，如圖3所示。

支撐板生成算法：支撐板生成依據(jù)底面、站位、型面、均風(fēng)孔、通風(fēng)孔、卡槽參數(shù)。在不同的站位處的這些參數(shù)均不同，通過參數(shù)化建立通用的支撐板草圖類模塊，然后通過循環(huán)調(diào)用草圖類，依據(jù)不同站位處的參數(shù)實例化，增厚為實體實現(xiàn)支撐板設(shè)計。草圖約束關(guān)系如圖4所示。

支撐板邊界L1由支撐板站位處型面決定，邊界L2、L4由底面橫向尺寸決定，邊界L3由支撐板站位處底面決定；

卡槽H1、H2、H3位置為該支撐板與其他異向的支撐板連接位置；

卡槽將整個支撐板分割為幾個相對獨立的部分，每一部分分布有一個通風(fēng)孔T，通風(fēng)孔T尺寸由該部分大小及通風(fēng)孔距邊界距離約束形成；

均風(fēng)孔半徑r由用戶指定，規(guī)范值取值為20～30mm，軟件預(yù)設(shè)值為25mm；

均風(fēng)孔之間距離d1=3×r；

均風(fēng)孔個數(shù)n由L1長度及均風(fēng)孔半徑r決定；

均風(fēng)孔距邊界距離d2=[L1-(n-1)×d1]/2；

通風(fēng)孔T邊界S1由支撐板邊界L2偏移得到，邊界偏移距離d3由用戶指定，規(guī)范值為50～80mm，預(yù)設(shè)左右邊界偏移為50mm；

通風(fēng)孔T邊界S2由支撐板邊界L1偏移得到，邊界偏移距離d3由用戶指定，規(guī)范值為50～80mm，預(yù)設(shè)上下偏移值為80mm；

圖1 復(fù)合材料構(gòu)件模具典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of composite material component mould

圖2 型板Fig.2 Mould board

圖3 支撐板Fig.3 Supporting plate

圖4 支撐板示意圖Fig.4 Supporting plate diagram

卡槽H1深度h由卡槽H1所在位置底面與型面之間距離D決定，具體數(shù)值為D數(shù)值的一半；

卡槽寬度d等于支撐板的厚度，支撐板厚度由用戶指定，規(guī)范值6～20mm，預(yù)設(shè)值6mm；

通風(fēng)孔T形狀：矩形、對角布置的三角形、四向布置的三角形。

圖5 底架Fig.5 Under carriage

圖6 底板設(shè)計界面Fig.6 Under carriage design interface

圖7 底板設(shè)計預(yù)覽Fig.7 Under carriage design preview

1.3 底架設(shè)計

航空復(fù)合材料構(gòu)件大多為較大尺寸、較小剛度的薄壁結(jié)構(gòu)，而且其制造精度要求相對較高。為保證構(gòu)件模具的精度，減少模具在裝配過程中結(jié)構(gòu)變形，底架設(shè)計一般采用剛性框架結(jié)構(gòu)。底架部分的結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)形H型鋼、加強肋、叉車孔、導(dǎo)向輪、墊板、基準(zhǔn)板等[11]。底架在模具體中是承重結(jié)構(gòu)，H型鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能，由于H型鋼比I型鋼寬的翼緣和相對薄的腹板，截及翼緣的內(nèi)表面與外表面平行，由于H型鋼中的翼緣所占的比例較大，截面面積分配更合理，故其抗彎能力優(yōu)于I型鋼，且H型鋼具有結(jié)構(gòu)重量較輕,翼緣兩表面相互平行，易于連接加工等特點，因此底架主體結(jié)構(gòu)采用H型鋼。

導(dǎo)向輪、墊板、基準(zhǔn)板為標(biāo)準(zhǔn)件，需要在完成底架設(shè)計時，使用所開發(fā)的工具快速將這些元件安裝到相應(yīng)位置。裝配設(shè)計中需要在不改變現(xiàn)有模具模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)相關(guān)元件的快速裝配。對這些元件進(jìn)行分析，提取裝配特征，使其可以滿足對已完成模具底架直接進(jìn)行快速裝配的要求。針對底架模型上需要裝配多組相同規(guī)格元件的情況，在分析元件與底架模型之間的約束關(guān)系特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計用戶只需在底架模型上選擇很少的裝配約束就能實現(xiàn)快速裝配，從而實現(xiàn)元件的批量裝配，底架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.4 輔助元件

輔助元件設(shè)計主要包括數(shù)控基準(zhǔn)孔、靶標(biāo)孔設(shè)計?；鶞?zhǔn)孔及靶標(biāo)孔設(shè)置的位置是至關(guān)重要的，設(shè)計者應(yīng)從零件結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、加工方法、量度方法等各方面著手，進(jìn)行綜合考慮，以確定方案，使設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)重合在一個基準(zhǔn)孔的中心線上。本次軟件設(shè)計依據(jù)模具常見尺寸設(shè)置初始預(yù)設(shè)值快速完成基準(zhǔn)孔位置設(shè)計。

2 復(fù)合材料構(gòu)件模具快速設(shè)計

模具設(shè)計主要包括：底面、支撐板設(shè)計、底座設(shè)計輔助元件設(shè)計等部分。

2.1 底面設(shè)計

底面設(shè)計主要包含生成底面、建立局部坐標(biāo)系、生成支撐板站位3個小模塊。

（1）生成底面：通過拾取零件邊界輪廓點，設(shè)置型面與底面間距離(最小距離)，按照規(guī)范值外延底面，完成底面建立。

（2）建立局部坐標(biāo)系：合適的局部坐標(biāo)系建立能夠方便實現(xiàn)各部位零件位置的確定。通過拾取合適點作為原點，并將底面兩條鄰邊分別設(shè)置為局部坐標(biāo)系的X、Y軸，底面法線方向設(shè)置為局部坐標(biāo)系的Z軸，完成局部坐標(biāo)系的生成。

（3）生成支撐板站位：通過輸入支撐板數(shù)量，依據(jù)底面邊界長度，自動計算出支撐板間距，設(shè)計人員可以自行修改生成間距，完成后將站位數(shù)據(jù)放入公共接口。圖6為底板設(shè)計界面，圖7為底面設(shè)計圖。

2.2 支撐板的設(shè)計

支撐板材質(zhì)一般為金屬材料，主要尺寸由型面、模具底面決定，支撐板與模具型面、模具底架貼合。支撐板通過公共接口中的站位數(shù)據(jù)在底面邊界上生成截面，在截面位置處生成支撐板外輪郭圖，依據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)或者用戶給定參數(shù)在外輪廓圖上通過預(yù)設(shè)參數(shù)公式計算各結(jié)構(gòu)特征位置尺寸，然后通過凹槽、填充、分割等操作完成支撐板草圖，拉伸草圖完成支撐板建模。

圖8為支撐板設(shè)計軟件界面，通過拾取型面、底面，依據(jù)支撐板站位信息、支撐板結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)參數(shù)生成支撐板。點擊“詳細(xì)設(shè)計”可進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計界面。圖9為設(shè)計完成的支撐板.

2.3 底架設(shè)計

環(huán)形H型鋼沿模具體底面邊界布置，工字鋼腹板與模具體底面邊界輪廓重合。加強肋根據(jù)環(huán)形H型鋼的尺寸布置，以保證結(jié)構(gòu)強度。叉車孔位置由用戶設(shè)計時指定，在H型鋼腹板位置預(yù)留叉車孔位置。導(dǎo)向輪、墊板、基準(zhǔn)板為標(biāo)準(zhǔn)件，需要在完成底架設(shè)計時，對這些元件進(jìn)行分析，提取裝配特征，使其可以滿足對已完成模具底架直接進(jìn)行快速裝配的要求。針對底架模型上需要裝配多組相同規(guī)格元件的情況，在分析元件與底架模型之間的約束關(guān)系特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計用戶只需在底架模型上選擇很少的裝配約束就能實現(xiàn)快速裝配，從而實現(xiàn)元件的批量裝配。叉車孔由底架中預(yù)留叉車孔位置確定位置，在底架H型鋼腹板上根據(jù)叉車孔截面大小通過凹槽、草圖拉伸命令完成叉車孔生成。

圖10為底架設(shè)計軟件界面，通過拾取底面，輸入底架結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)參數(shù)生成底架。圖11為設(shè)計完成的支撐板。

2.4 輔助元件設(shè)計

在輔助元件設(shè)計中，先以底面為基準(zhǔn)進(jìn)行偏移，與型面相交得到基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上計算出合適點位，使用“凹槽”命令完成基準(zhǔn)孔。靶標(biāo)孔是以成型曲面邊界為基準(zhǔn)，向內(nèi)偏置在曲面上布置的盲孔。

圖8 支撐板設(shè)計界面Fig.8 Supporting plate design interface

圖9 支撐板板設(shè)計預(yù)覽Fig.9 Supporting plate design preview

圖10 底板設(shè)計界面Fig.10 Under carriage design interface

3 應(yīng)用實例

以某型號飛機的復(fù)材構(gòu)件為例，使用開發(fā)的模具快速設(shè)計平臺進(jìn)行設(shè)計，通過拾取零件型面邊界點，設(shè)置底面偏置距離，完成底面設(shè)計；輸入支撐板數(shù)量完成支撐板站位，輸入支撐板設(shè)計參數(shù)完成支撐板設(shè)計，拾取底面設(shè)計底架部分完成模具設(shè)計。模具設(shè)計結(jié)果如圖12所示。

圖11 底板設(shè)計預(yù)覽Fig.11 Under carriage design preview

圖12 模具設(shè)計展示Fig.12 Mold design show

4 結(jié)論

在復(fù)合材料的成型過程中，模具的設(shè)計是影響復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量、周期和成本的重要環(huán)節(jié)。因此，在復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過模塊化、規(guī)范化、數(shù)字化相結(jié)合進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化可以大幅縮短模具設(shè)計制造周期。本文提出并開發(fā)的復(fù)合材料模具設(shè)計平臺通過軟件保證了復(fù)合材料模具的規(guī)范化和數(shù)字化，為快速設(shè)計復(fù)合材料構(gòu)件模具提供了一個有效的方法。

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