基于MBD直升機復(fù)材構(gòu)件的數(shù)字化集成設(shè)計

王宏

摘 要：由于復(fù)合材料具有一系列傳統(tǒng)材料無可比擬的優(yōu)點而在直升機裝備中得到廣泛的應(yīng)用。但復(fù)材構(gòu)件材料的可設(shè)計性以及成型工藝的特點，使得傳統(tǒng)復(fù)材構(gòu)件產(chǎn)品研制周期長，設(shè)計過程反復(fù)更改?；贛BD復(fù)材構(gòu)件的數(shù)字化集成設(shè)計，圍繞構(gòu)件全生命周期展開，實現(xiàn)復(fù)材構(gòu)件設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的重用以及各個方面的交叉迭代，保持設(shè)計與分析，設(shè)計與制造高度的集成和一體化，提高復(fù)材構(gòu)件質(zhì)量，降低開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：復(fù)材構(gòu)件;三維設(shè)計;數(shù)字化

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.12.086

復(fù)合材料由于其一系列優(yōu)越性為生產(chǎn)重量輕、性能高的結(jié)構(gòu)提供了令人矚目的機遇，在直升機上的用量也日益提高。復(fù)合材料的性能可設(shè)計性以及零件制造和材料成形同時完成的工藝特點，使復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計制造具有復(fù)雜性及獨特性。近年來，隨著MBD技術(shù)在直升機行業(yè)全面應(yīng)用，復(fù)材構(gòu)件已經(jīng)實現(xiàn)全三維模式下的設(shè)計和制造。但在實際應(yīng)用過程中，各單位都在各自負(fù)責(zé)的型號研制過程中進(jìn)行摸索，缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識和整體的考慮。

本文以當(dāng)前直升機行業(yè)MBD全面應(yīng)用為基礎(chǔ)，對復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化集成設(shè)計流程以及集成設(shè)計中幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。初步介紹復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化集成設(shè)計各階段數(shù)據(jù)接口及交換形式，促進(jìn)復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計、分析、制造的一體化。

1 基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義

基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義是以復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化集成設(shè)計為基礎(chǔ)，是按照復(fù)材構(gòu)件逐層疊加的特點，采用數(shù)字化形式對復(fù)材構(gòu)件進(jìn)行完整描述的過程。如圖1所示，復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義模型包含基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、工程注釋、三維主模型、尺寸與公差數(shù)據(jù)。其中三維主模型是復(fù)材構(gòu)件與金屬零件數(shù)字模型最大的不同。三維主模型包含貼模面和鋪層數(shù)據(jù)，鋪層數(shù)據(jù)是復(fù)材構(gòu)件定義的核心，也是數(shù)字化集成設(shè)計中與分析和制造進(jìn)行集成的基礎(chǔ)。

2 基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計流程

基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化集成設(shè)計的核心是在設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的重用以及各個方面的交叉迭代，及時預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)設(shè)計、分析和制造的一體化。在基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化集成設(shè)計中，首先，設(shè)計人員根據(jù)構(gòu)件設(shè)計要求對構(gòu)件成型方法和材料進(jìn)行選擇，并在復(fù)材構(gòu)件設(shè)計軟件中進(jìn)行幾何建模，完成外形結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時進(jìn)行初步有限元分析，確定材料鋪放表面;其次，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗完成鋪層設(shè)計，并在設(shè)計過程中進(jìn)行詳細(xì)有限元分析，對鋪層設(shè)計結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，完成模型三維標(biāo)注和定義，進(jìn)行制造模型發(fā)放;再次，工藝人員對復(fù)材構(gòu)件制造模型進(jìn)行可制造性分析，模擬纖維鋪放過程可能遇到工藝缺陷，并對設(shè)計進(jìn)行反饋;最后，對鋪層數(shù)據(jù)進(jìn)行展開，獲得下料數(shù)據(jù)及激光投影數(shù)據(jù)，或直接輸出自動鋪放設(shè)備程序代碼。典型基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計流程如圖2所示。

3 復(fù)材構(gòu)件設(shè)計與分析的數(shù)據(jù)集成

復(fù)材構(gòu)件一般由不同的材料層片鋪疊而成，每個鋪層都具有不同的取向和形狀，這種結(jié)構(gòu)形式為復(fù)材構(gòu)件分析提出更高要求。利用復(fù)材構(gòu)件設(shè)計和分析的集成，可將在復(fù)材建模軟件中鋪層形狀、位置以及纖維真實取向傳遞給分析軟件，進(jìn)而實現(xiàn)更加有效的性能驗證仿真。但在實際應(yīng)用過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計部門使用CATIA進(jìn)行三維建模，分析部門使用MSC.Patran進(jìn)行有限元分析，不同部門之間軟件環(huán)境的差異，使得不同格式模型在不同部門間流轉(zhuǎn)中其準(zhǔn)確性檢驗也變得困難。目前，可使用以下方法進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。

3.1 基于XML文件的材料鋪放數(shù)據(jù)的集成

XML文件按照一定的層次對鋪層材料、鋪層形狀、鋪層角度等材料鋪放數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，并采用一種三角面片近似表示鋪放表面信息。使用XML文件進(jìn)行材料鋪放數(shù)據(jù)的集成，可以準(zhǔn)確定義在制造狀態(tài)下真實的纖維路徑。在有限元軟件材料屬性定義中導(dǎo)入含有材料鋪層數(shù)據(jù)XML文件，使包含詳細(xì)制造數(shù)據(jù)的三角面片網(wǎng)格和有限元網(wǎng)格進(jìn)行映射，實現(xiàn)設(shè)計軟件和分析軟件的材料鋪放數(shù)據(jù)的集成。

3.2 基于專用數(shù)據(jù)接口的材料鋪放數(shù)據(jù)的集成

Laminate Modeler是MSC.Patran中進(jìn)行復(fù)合材料有限元建模的專用模塊。如圖3所示，可以將CATIA CPD中復(fù)合材料鋪放數(shù)據(jù)輸入到MSC.Patran中，然而，CATIA CPD和Partran數(shù)據(jù)接口形式，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向反復(fù)的迭代。Partran分析后獲得的修正結(jié)果無法再無縫導(dǎo)入CPD對鋪層設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。

4 復(fù)材構(gòu)件設(shè)計與制造的數(shù)據(jù)集成

目前，直升機行業(yè)復(fù)材構(gòu)件制造引入數(shù)字化設(shè)備主要有自動化下料設(shè)備、激光投影系統(tǒng)和自動鋪放設(shè)備。其中自動化下料設(shè)備、激光投影系統(tǒng)是最常用制造設(shè)備。

4.1 設(shè)計數(shù)據(jù)與下料設(shè)備的集成

專用數(shù)字化下料設(shè)備應(yīng)用，大大提高下料的效率。如圖4所示，采用設(shè)計數(shù)據(jù)到排樣下料設(shè)備的集成，首先，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和排樣軟件接收基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義數(shù)據(jù)生成的鋪層展開數(shù)據(jù);然后，在原材料寬度約束下對鋪層展開數(shù)據(jù)在二維平面內(nèi)排樣，利用控制軟件中自動排樣算法對排樣進(jìn)行優(yōu)化;最后，排樣軟件根據(jù)排樣結(jié)果生成數(shù)控程序，輸入到剪裁設(shè)備進(jìn)行預(yù)浸料的切割。復(fù)材構(gòu)件設(shè)計數(shù)據(jù)與下料設(shè)備進(jìn)行集成，可以大大減少不必要錯誤，提高效率。

4.2 設(shè)計數(shù)據(jù)與激光投影系統(tǒng)的集成

激光放樣系統(tǒng)由控制計算機、激光頭支架、激光發(fā)射頭、定位頭、系統(tǒng)校準(zhǔn)激光反射片、逆向數(shù)字化激光牽引片和校驗工裝7部分組成。對于大型構(gòu)件，單個激光頭無法滿足要求時，可以使用多個激光頭進(jìn)行拼接投影。如圖 5所示，激光放樣數(shù)據(jù)主要由激光放樣數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)組成，激光放樣數(shù)據(jù)主要包含鋪層順序和編號非幾何信息以及鋪層邊界、起點和方向幾何信息。鋪層邊界通過提取鋪層形狀中一系列離散點組成，激光頭通過不斷對這些離散點掃描，完成鋪層形狀輪廓的投影。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)主要用于定義位于工裝上定位球來捕獲工裝與激光投影頭相對位置，進(jìn)而可以自動調(diào)整放樣輪廓。在激光放樣數(shù)據(jù)被最應(yīng)用車間生產(chǎn)前，還可以將激光放樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD系統(tǒng)中，通過在鋪層邊界生成激光投影數(shù)據(jù)點來檢驗激光放樣數(shù)據(jù)是否正確，如果發(fā)現(xiàn)異常，可以對放樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重新生成。

5 結(jié)論

本文以當(dāng)前直升機行業(yè)MBD全面應(yīng)用為基礎(chǔ)，總結(jié)了基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化定義的數(shù)據(jù)內(nèi)容和組織形式， 結(jié)合具體型號，梳理基于MBD復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化集成設(shè)計流程，提升企業(yè)復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用水平，促進(jìn)復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計、分析、制造的一體化。

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