复合材料构件数字化建模技术研究.doc

复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料铺设在基体中所构成的新型材料，具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性和抗腐蚀性等一系列优点。随着复合材料在飞机上用量的日益增加，其重要性也越来越突出。由于先进复合材料的可设计性及其在提高飞机性能上的巨大潜力，复合材料在飞机上应用的部位和用量的多少几乎已成为衡量当代飞机先进性的一个重要标志。然而复合材料的结构设计与传统金属结构的设计又有许多本质的区别且更加复杂。原因是复合材料在结构设计时并无确定的结构材料存在，其产品和材料的研制是同时进行的，材料的制造同样要按结构设计进行，因此需要设计人员与分析、制造人员之间更密切地配合，数据传递也更为频繁。复合材料传统研制方法在传统的复合材料研制模式中，设计、分析及制造之间的数据是通过模拟量传递的。设计工程师根据设计输入条件，依靠自身的经验和空间想象能力绘制铺层图和铺层顺序表，其中包括铺层的每一个细节，如尺寸、形状、剪口、铺层顺序、铺层角度等；强度校核时，分析工程师根据图纸内容及其对图纸的理解，将铺层信息等内容反映到强度计算模型中；工厂制造时，工装设计人员根据图纸设计模线样板及模具，零件制造车间再根据模线样板下料、铺叠（。成型工艺以手工为主，构件质量在很大程度上依赖于工人的经验和熟练程度。总的来说，这种传统的复合材料设计制造方式极可能会在设计、分析、制造（CAD/CAE/CAM）间出现数据源不唯一的情况，且制造的效率和精度都比较低，成本也过高，极大阻碍了复合材料的广泛应用。复合材料数字化设计、分析与制造复合材料设计、制造专用软件的开发以及各种复合材料数控制造设备（如预浸料自动剪裁设备、激光投影设备和纤维自动铺放设备等）的研制成功，使复合材料构件研制过程的数据以数字量传递成为可能，设计、分析、制造结合得更为紧密。
设计、分析与制造见的数据传递
通过在复合材料构件研制过程中引入数字化技术，可以保证设计、分析、制造数据源的唯一，真正做到复合材料CAD/CAE/CAM一体化，便于数字量传递，减少研制时间，加快研制进度。
符合材料传统研制法
复合材料数字化建模复合材料结构设计为后续的分析、制造等环节提供数据源头。而复合材料构件的三维数字化模型是复合材料结构设计的最终表达，并且复合材料构件数模的建立贯穿于整个复合材料研制过程中。因此研究复合材料数字化建模是发展复合材料数字化设计/制造能力的基础。通过采用复合材料三维模型数据集，可以完全摆脱传统的二维设计模式，真正实现数据的数字量传递，使设计和表达更为简单，效率更高。1数字化建模流程根据复合材料结构设计的一般流程，可以将复合材料数字化建模分为3个阶段：初步设计阶段、详细设计阶段和制造准备阶段。复合材料专用设计制造软件是进行复合材料构件数字化建模不可缺少的工具。目前常用的主要有CATIA-CPD模块（CATIA-CompositeDesign）和FiberSIM软件。从复合材料初步设计到制造准备，CATIACPD模块根据设计对象的不同阶段提供了很多实用的建模工具，如区域建模、铺层设计、可制造性分析、实体生成和铺层展开等。

1.1初步设计复合材料构件初步设计主要完成区域和过渡区域的建模，基于区域自动生成构件粗略的三维实体，用于建立飞机的初级电子样机。（1）定义设计贴模面。设计贴模面即零件的外型面，是复合材料构件的设计表面，同时也是模具设计制造的依据。对于蒙皮类零件，设计贴模面一般为飞机理论外形的一部分，可直接从外形文件中提取；部分飞机内部复合材料构件（如梁、肋等），需要手工拟合设计贴模面。（2）建立铺层坐标系。铺层坐标系用来标识纤维的基本方向，即0°方向。对于平板类零件，一般建立笛卡尔坐标系，坐标系的X轴方向为纤维纵向（0°方向），XY平面为纤维所在铺层的平面或曲面外形的切面；筒形零件一般建立圆柱坐标系。每层单向带都有一个相对于铺层坐标系的铺设角度，用来标识该层的纤维方向。（3）区域、过渡区域建模。区域是层合板上具有不变厚度和铺层百分比的部分。有了零件的设计表面，就可以根据具体的结构参数在该设计表面上划分不同区域，定义每一个区域上的铺层参数包括区域的封闭轮廓、参考坐标系、材料和各铺设角度下的铺层数。相邻2个区域之间并且定义铺层递减关系的部分为过渡区域（即丢层区）。
图4初步设计阶段的区域建模
（4）基于区域创建实体。该实体较为粗糙，尤其是在过渡区域与真实结构存在较大差距，只能用于初级的电子样机协调。1.2铺层详细设计铺层详细建模是复合材料数字化建模的核心问题。
基于区域生成的实体模型
（1）基于区域生成铺层。依据前面定义的区域模型利用铺层建模工具，可自动生成构件初步的铺层定义，每一铺层具有几何轮廓、材料类型、铺设角度和参考坐标系等属性数据，所有的铺层在产品结构树上按照铺放顺序组成一个铺层组。（2）铺层轮廓剪裁。自动生成的铺