高分子復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型工藝設(shè)計(jì)研究

王 淼

（西安培華學(xué)院，陜西西安710125）

高分子復(fù)合材料具有綜合性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在汽車(chē)工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于高分子復(fù)合材料尤其高分子纖維復(fù)合材料如碳纖維、芳綸纖維等材料在加工成型時(shí)表現(xiàn)出較為明顯的各向異性，給結(jié)構(gòu)件的加工成型帶來(lái)了一定的復(fù)雜性和加工難度[1-3]。較高的成型難度也始終是影響高分子纖維材料結(jié)構(gòu)件制備成本的重要因素之一。為充分降低高分子復(fù)合材料成型環(huán)節(jié)的工藝難度和生產(chǎn)成本，材料領(lǐng)域研究人員嘗試使用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與高分子復(fù)合材料成型工藝進(jìn)行融合，將高分子復(fù)合材料成型工藝中的參數(shù)、數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)原則等錄入計(jì)算機(jī)軟件，以更好地幫助結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)人員掌握不同高分子復(fù)合材料成型工藝方法等，更快選擇最佳的材料成型方案，達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本、提高高分子復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)效率的目的。

1 輔助成型系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 宏觀架構(gòu)

復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型系統(tǒng)主要可分為成型工藝方法和支持庫(kù)數(shù)據(jù)兩部分，如圖1所示。其中，復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型工藝方法主要有RTM成型、手工鋪放以及噴涂成型等，不同的高分子復(fù)合材料在進(jìn)行成型時(shí)需要采用對(duì)應(yīng)的成型方法[4]；支持庫(kù)則主要囊括了高分子復(fù)合材料成型過(guò)程中需要的模具參數(shù)、成型工藝參數(shù)、成型工藝實(shí)例以及高分子復(fù)合材料的分類(lèi)等，最大程度方便操作人員通過(guò)系統(tǒng)直觀地獲取當(dāng)前所使用的高分子復(fù)合材料對(duì)應(yīng)材料成型工藝參數(shù)等。

圖1 復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型系統(tǒng)Fig. 1 Computer-aided molding system for composites

1.2 系統(tǒng)作業(yè)流程

圖2所示為高分子復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型系統(tǒng)工作時(shí)的一般流程圖。如圖2所示，工作人員在進(jìn)行某一結(jié)構(gòu)件的成型時(shí)，首先需要手動(dòng)輸入該結(jié)構(gòu)件所使用復(fù)合材料的類(lèi)型，系統(tǒng)將根據(jù)這一輸入結(jié)果在支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索，獲得復(fù)合該材料特征的相似事例檢索結(jié)果，若支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中有相似實(shí)例則直接進(jìn)入工藝流程修改環(huán)節(jié)，根據(jù)構(gòu)件尺寸等參數(shù)直接進(jìn)行輔助成型；若檢索結(jié)果表示沒(méi)有相似成型工藝實(shí)例，則系統(tǒng)需要進(jìn)行針對(duì)性的工藝流程選擇與編制，通過(guò)訪問(wèn)材料模塊、模具參數(shù)模塊以及成型工藝參數(shù)模塊制定復(fù)合該構(gòu)件的成型工藝與參數(shù)，最終根據(jù)這一成型工藝和結(jié)構(gòu)件參數(shù)輸出工藝文件進(jìn)行材料輔助成型。

圖2 一般流程圖Fig. 2 General flowchart

1.3 成型工藝選擇

高分子復(fù)合材料的輔助工藝選擇，是計(jì)算機(jī)輔助材料成型系統(tǒng)的關(guān)鍵。通常而言，對(duì)于某一特定構(gòu)件來(lái)說(shuō)想要達(dá)到最理想的材料成型效果，需要根據(jù)材料特征、構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)、構(gòu)件性能以及構(gòu)件的質(zhì)量要求等因素進(jìn)行綜合考量[5]。這些因素，必須在系統(tǒng)錄入構(gòu)件種類(lèi)以及加工材料之初便進(jìn)行考慮。由于高分子復(fù)合材料的成型工藝太多，本文摘取其中應(yīng)用最為廣泛、最具特點(diǎn)的RTM成型工藝進(jìn)行分析。

RTM成型工藝即樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑(Resin Transfer Molding)，是一種高分子復(fù)合材料閉模成型工藝[6]。RTM成型工藝又可分為VARIT（真空輔助樹(shù)脂傳遞注塑）、VARTM（真空輔助樹(shù)脂傳遞注塑）以及VRTM（真空樹(shù)脂傳遞模塑）等。圖3所示為典型的RTM成型工藝流程。

圖3 典型RTM成型工藝流程Fig. 3 Typical RTM molding process

RTM成型工藝有利于制備大中尺寸、復(fù)雜形狀、兩面光潔的整體結(jié)構(gòu)件，所制備的高分子復(fù)合材料構(gòu)件尺寸精度好、表面質(zhì)量高、機(jī)械性能好。圖3所示的RTM成型工藝流程以及RTM成型工藝其他分支工藝的成型工藝流程圖均被錄入了圖1中所示的成型工藝方法模塊中。工作人員在錄入構(gòu)件參數(shù)以及加工材料以后，將會(huì)自動(dòng)對(duì)可以采納的成型工藝進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)定性的經(jīng)濟(jì)因素如構(gòu)件的產(chǎn)量、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝復(fù)雜程度等，以及定量的因素例如構(gòu)件的尺寸參數(shù)、復(fù)雜性以及構(gòu)件的表面光潔度等篩選并匹配出最適合該構(gòu)件的成型工藝。工作人員可以選擇按照系統(tǒng)提供的成型工藝直接進(jìn)行構(gòu)建加工，也可以根據(jù)系統(tǒng)提供的建議初步確定某幾類(lèi)材料成型方案，在經(jīng)過(guò)部門(mén)系統(tǒng)論證以后選擇恰當(dāng)?shù)某尚头椒ā＿@種材料成型工藝能夠有效指導(dǎo)操作人員進(jìn)行構(gòu)件加工，降低成型工藝選擇和論證的時(shí)間成本。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵方法與技術(shù)分析

2.1 材料特征分解原則

高分子復(fù)合材料的成型工藝選擇主要基于構(gòu)件自身的產(chǎn)品需求以及經(jīng)濟(jì)因素等。因此，按照?qǐng)D4所示的特征分解原則，根據(jù)高分子復(fù)合材料構(gòu)件的特征，將構(gòu)件進(jìn)行分解[7-9]。在該原則下，不論構(gòu)建的復(fù)雜程度如何、加工精度如何，都可以將構(gòu)件分為最簡(jiǎn)單的集中元素的組合體，得到構(gòu)件的最基本單元。這種構(gòu)件分解方法，有助于系統(tǒng)從最基本的參數(shù)對(duì)構(gòu)件成型工藝進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 高分子復(fù)合材料構(gòu)件特征分解原則Fig. 4 The principle of characteristic decomposition of polymer composite components

2.2 產(chǎn)生式表示法

在高分子復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型系統(tǒng)中，如何通過(guò)最佳算法高效篩選最合理的成型工藝，是衡量系統(tǒng)工作效率的關(guān)鍵。產(chǎn)生式表示法是一種知識(shí)的表示方法，所表示的知識(shí)是確定性知識(shí)。高分子復(fù)合材料的成型工藝選擇本身是一種確定性較高的知識(shí)，基本上某種構(gòu)件及其制備所用高分子復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的成型工藝只有某幾種。然而，以往這方面的知識(shí)多依賴(lài)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，難以進(jìn)行書(shū)面表達(dá)或系統(tǒng)論證。本文則通過(guò)引入產(chǎn)生式表示法，將高分子復(fù)合材料構(gòu)件的成型工藝進(jìn)行表示，通過(guò)推理實(shí)現(xiàn)構(gòu)件成型工藝的選擇，最終通過(guò)海量復(fù)合材料與常用構(gòu)建數(shù)據(jù)的錄入，構(gòu)建滿(mǎn)足高分子復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型系統(tǒng)需求的知識(shí)庫(kù)。

產(chǎn)生式表示法的基本形式為：前件是該規(guī)則可否使用的先決條件。前件由單個(gè)事實(shí)或者多個(gè)事實(shí)的邏輯組合構(gòu)成。后件是一組結(jié)論或操作。指出當(dāng)前件滿(mǎn)足的時(shí)候，應(yīng)該推出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。r1（規(guī)則序號(hào)）：IF <前件：?jiǎn)蝹€(gè)事實(shí)或多個(gè)事實(shí)的邏輯組合構(gòu)成> THEN <后件：一組結(jié)論或操作>

例如：IF 纖維含量要求=高AND樹(shù)脂粘度=高THEN 成型工藝=RTM成型

通過(guò)這一方法可以非常直觀地通過(guò)各個(gè)條件之間的邏輯關(guān)系判斷某一構(gòu)件對(duì)應(yīng)高分子復(fù)合材料所適用的成型工藝。但該方法存在一個(gè)固有缺陷，其求解過(guò)程是反復(fù)的“匹配-沖突消解-執(zhí)行”過(guò)程。容易造成系統(tǒng)冗余和工作效率低下等問(wèn)題。因此，還需要引入其他方法例如基于特征的實(shí)例推理等進(jìn)行輔助。

2.3 基于特征的實(shí)例推理

基于特征的實(shí)例推理是基于圖4所示的高分子復(fù)合材料構(gòu)件特征分解原則，以高分子復(fù)合材料構(gòu)件過(guò)去的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)歷為依據(jù)開(kāi)展推理，最終獲得最佳的成型工藝的方法。基于特征的實(shí)例推理過(guò)程主要可參照?qǐng)D5。

圖5 基于特征的實(shí)例推理過(guò)程Fig. 5 Feature-based instance reasoning process

第一步，構(gòu)件的案例表示首先需要按照?qǐng)D4的特征分解原則進(jìn)行特征信息收集；第二步，對(duì)案例模型進(jìn)行充分的分析；第三步，在已有的案例庫(kù)中進(jìn)行檢索，獲取相似或相關(guān)案例；第四步，通過(guò)類(lèi)比映射和類(lèi)比轉(zhuǎn)換判斷是否需要進(jìn)行新的成型工藝設(shè)計(jì)，若是，則按照產(chǎn)生式表示法進(jìn)行新的工藝設(shè)計(jì)，若否，則進(jìn)入第五步；第五步，基于高分子復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行成型工藝的過(guò)程解釋?zhuān)坏诹剑瑢?duì)案例進(jìn)行修補(bǔ)、類(lèi)比驗(yàn)證，最終得到最適合該構(gòu)建的材料成型工藝并將案例進(jìn)行保存。

與產(chǎn)生式表示法相比，基于特征的實(shí)例推理過(guò)程法得到成型工藝的效率更高。但是，該工藝需要系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中具有相關(guān)或相似的案例，因此主要作為產(chǎn)生式表示法的一種補(bǔ)充。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文構(gòu)建了一種高分子復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)作流程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。隨著現(xiàn)代材料領(lǐng)域的飛速發(fā)展，復(fù)合材料正逐漸與國(guó)防、航空航天、群眾生活的各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行融合，如何降低高分子復(fù)合材料加工成型難度、成本，提升高分子復(fù)合材料成型工藝的可靠性和效率等，是材料領(lǐng)域未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。本文所提供的輔助成型系統(tǒng)，基于產(chǎn)生式表示法和基于特征的實(shí)例推理法兩種技術(shù)進(jìn)行成型工藝選擇和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的共享和最優(yōu)化成型技術(shù)選擇，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。