基于MBD復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化定義

王宏

摘要：隨著基于模型的定義（MBD Model Based Definition）技術(shù)在航空企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化、無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)制造。由于復(fù)合材料獨(dú)特的工藝特點(diǎn)決定復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義與金屬零件相比具有獨(dú)特性和復(fù)雜性，因此，從企業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義數(shù)據(jù)內(nèi)容組成和數(shù)據(jù)組織形式，對復(fù)材構(gòu)件內(nèi)部特性及工程注釋信息進(jìn)行有效組織和描述，進(jìn)而發(fā)揮復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化集成設(shè)計(jì)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：MBD； 復(fù)材構(gòu)件；數(shù)字化定義

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.28.088

1復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化定義總體要求

MBD數(shù)據(jù)集提供了完整的產(chǎn)品信息，集成了以前分散在設(shè)計(jì)文檔和工程圖紙中所有設(shè)計(jì)和制造信息。復(fù)材構(gòu)件需定義金屬零件定義中所包含的基準(zhǔn)、工程注釋、尺寸與公差以及相關(guān)工藝、檢測信息外，還要包含材料鋪放數(shù)據(jù)，模具表面等復(fù)材構(gòu)件特有的信息。圖1為復(fù)材構(gòu)件零件MBD數(shù)據(jù)集定義基本構(gòu)成元素?；鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)是復(fù)材構(gòu)件設(shè)計(jì)建模的依據(jù)；工程注釋是主要采用結(jié)構(gòu)化文本形式對設(shè)計(jì)制造過程中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行描述；尺寸和公差是采用在三維模型上直接進(jìn)行標(biāo)注來表示某個(gè)部位工藝要求和結(jié)構(gòu)尺寸。三維主模型主要對復(fù)材構(gòu)件零件外形及其內(nèi)部材料數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，也是與金屬零件數(shù)字化定義的主要區(qū)別。

2三維主模型

與金屬零件相比，復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義的最大區(qū)別，是必須定義材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，復(fù)材構(gòu)件三維主模型不僅包含鋪層實(shí)體數(shù)據(jù)，還有模具表面和鋪層數(shù)據(jù)，鋪層定義數(shù)據(jù)是三維主模型核心。

2.1模具表面

復(fù)材構(gòu)件工裝設(shè)計(jì)是復(fù)材構(gòu)件最終成型的基礎(chǔ)。在復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化集成設(shè)計(jì)中，工藝人員進(jìn)行模具設(shè)計(jì)是以復(fù)材構(gòu)件MBD數(shù)據(jù)集中材料鋪放表面定義數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮材料固化過程中變形量形成模具表面定義數(shù)據(jù)。

2.2材料鋪放數(shù)據(jù)定義

復(fù)合材料的鋪放是將二維的層片按一定的鋪設(shè)角度和鋪放次序逐層鋪放在三維模具表面的過程，主要包含以下幾個(gè)方面。

（1）鋪設(shè)角度。

復(fù)材構(gòu)件材料鋪設(shè)角度是鋪層纖維相對鋪層參考坐標(biāo)系的角度。在復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化定義中，根據(jù)鋪層角度不同定義不同顏色進(jìn)行區(qū)分。

（2）鋪放順序。

鋪放順序是材料片層在復(fù)材構(gòu)件的相對位置，是組織材料鋪放定義的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。所有鋪層都要進(jìn)行統(tǒng)一命名。

（3）鋪層邊界。

鋪層邊界是每一鋪層幾何邊界，是復(fù)材構(gòu)件在鋪放表面定義的閉合曲線。鋪層邊界主要包括設(shè)計(jì)邊界、制造邊界和鋪層展開邊界。設(shè)計(jì)邊界即為為了滿足復(fù)材構(gòu)件幾何外形最原始邊界。制造邊界是通過添加材料余量，擴(kuò)展生成的邊界。

（4）芯子。

有些情況下，復(fù)材構(gòu)件中需要包含夾芯或夾層結(jié)構(gòu)來進(jìn)行增強(qiáng)。如圖2對于復(fù)材構(gòu)件芯子對象要需單獨(dú)建立鋪層組，并對鋪放順序、夾芯材料和夾芯幾何等屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行定義。

2.3鋪層實(shí)體

復(fù)材構(gòu)件最終形狀是由鋪放表面、鋪層厚度、芯子等條件決定的，鋪層實(shí)體是在材料鋪放數(shù)據(jù)定義后，軟件根據(jù)鋪層厚度及鋪設(shè)層數(shù)通過計(jì)算生成。

3數(shù)字化定義非幾何信息

復(fù)材構(gòu)件MBD數(shù)據(jù)集不僅包含幾何信息，還包含大量非幾何信息用于研制過程中對產(chǎn)品進(jìn)行說明。全三維數(shù)字化定義中相關(guān)的非幾何信息必須按照一定的格式編輯，為后續(xù)的數(shù)字化制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無需人工干預(yù)的有效識別，進(jìn)而體現(xiàn)全三維數(shù)字化定義的優(yōu)勢。

3.1工程注釋

工程注釋是經(jīng)過計(jì)算機(jī)編碼并發(fā)布一種結(jié)構(gòu)化文本。工程注釋主要由標(biāo)準(zhǔn)注釋、零件注釋、材料描述和標(biāo)注說明組成。工程注釋項(xiàng)主要由“編碼”，“標(biāo)注內(nèi)容”，“URL”三項(xiàng)構(gòu)成。其中，“編碼”具有唯一性，以便工程注釋項(xiàng)被不同的數(shù)字化系統(tǒng)識別；“標(biāo)注內(nèi)容”則是對工程注釋項(xiàng)的簡要描述信息；“URL”則鏈接產(chǎn)品研制過程中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，或者該工程注釋項(xiàng)的詳細(xì)要求信息。

（1）標(biāo)準(zhǔn)注釋。

標(biāo)準(zhǔn)注釋主要是對復(fù)材構(gòu)件的產(chǎn)品類型、授權(quán)、保密要求、生產(chǎn)控制等信息進(jìn)行說明。

（2）零件注釋。

零件注釋主要對復(fù)材構(gòu)件工藝計(jì)劃信息進(jìn)行定義。零件注釋是設(shè)計(jì)人員給出，給定最終制造要求的信息，零件注釋內(nèi)容包括如方向坐標(biāo)系、鋪設(shè)角度公差和零件標(biāo)記等信息。

（3）材料描述。

復(fù)材構(gòu)件材料相關(guān)要求在材料描述中定義，材料描述通常定義復(fù)材構(gòu)件制造過程中所有使用的材料，包括主材料、輔助材料。主材料包含增強(qiáng)材料、基體材料以及夾芯材料。對于輔助材料，主要包括密封劑、吸脂材料等。

（4）標(biāo)注說明。

標(biāo)注說明是和旗注標(biāo)定聯(lián)合起來對復(fù)材構(gòu)件特殊工藝要求進(jìn)行說明，旗注標(biāo)定與幾何特征相關(guān)聯(lián)，來說明旗注標(biāo)定特征特殊的工藝或檢驗(yàn)要求。

3.2幾何尺寸、公差及鋪層標(biāo)注

除上述工程注釋外，復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化定義還包含尺寸、公差及鋪層的標(biāo)注。幾何尺寸、公差及鋪層標(biāo)注定義的基本要求如下：

（1）幾何尺寸。

在復(fù)材構(gòu)件MBD數(shù)據(jù)集中，由于零件三維模型已經(jīng)完整表示了復(fù)材構(gòu)件幾何尺寸信息，因此采用不完全尺寸標(biāo)注的方法。

（2）公差定義。

公差定義一般分為通用公差和特定幾何公差，通用公差應(yīng)用于所有未注特征上，而特定公差則應(yīng)用于特定的產(chǎn)品特征上。

（3）鋪層標(biāo)注。

鋪層標(biāo)注采用三維文本標(biāo)注顯示層合板中定義的鋪層和夾芯對象數(shù)據(jù)，包括鋪層和夾芯的名稱、鋪放順序、鋪設(shè)角度及材料類型。

（4）三維標(biāo)注的組織和顯示。

復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化定義中幾何尺寸、公差及鋪層標(biāo)注均直接標(biāo)注在構(gòu)件三維模型中。采用捕獲來對三維標(biāo)注信息進(jìn)行多視圖顯示，以便不同的視圖中過濾掉不必要的信息，有利于信息的表達(dá)。endprint

4典型構(gòu)件定義的應(yīng)用

前面主要對復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化定義數(shù)據(jù)內(nèi)容及其完整構(gòu)成進(jìn)行研究，下面結(jié)合某復(fù)材支架體為實(shí)例，對復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化定義的數(shù)據(jù)組織進(jìn)行詳細(xì)說明。

（1）三維主模型。

三維主模型主要由模具表面、材料鋪放數(shù)據(jù)、鋪層實(shí)體構(gòu)成，由于該蜂窩板采用預(yù)制層合板剪裁后和蜂窩結(jié)構(gòu)共固化工藝，因此模具表面在該復(fù)材構(gòu)件中不需要定義。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要由上下4層復(fù)合材料鋪層、蜂窩夾芯和若干預(yù)埋件組成。

（2）數(shù)字化定義非幾何信息。

復(fù)材構(gòu)件MBD數(shù)據(jù)集中非幾何信息主要包括工程注釋和幾何尺寸、公差及鋪層標(biāo)注。圖3為某支架體蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板零件特征樹，工程注釋等結(jié)構(gòu)化文本信息以參數(shù)的形式被分類組織在“標(biāo)準(zhǔn)注釋”、“零件注釋”、“材料描述”、“標(biāo)注說明”幾何圖形集中。三維標(biāo)注信息位于不同標(biāo)注平面上，并通過捕獲視圖來進(jìn)行分類顯示。

5結(jié)論

本文結(jié)合復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化集成設(shè)計(jì)思想，對原來分散在各種設(shè)計(jì)文檔和工程圖紙的定義數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，并使用復(fù)材構(gòu)件設(shè)計(jì)軟件將這些信息集成在三維CAD模型文件中，構(gòu)建復(fù)材構(gòu)件MBD數(shù)據(jù)集，并以某復(fù)材支架體為例進(jìn)行驗(yàn)證。為復(fù)材構(gòu)件全三維數(shù)字化集成設(shè)計(jì)制造奠定基礎(chǔ)。

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