本文探討了復合材料構件的數字化建模技術相關內容。

　　復合材料是一種由高強度、高剛度增強材料鋪設在基體中所構成的新型材料，具有高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性和抗腐蝕性等一系列優點。隨著復合材料在飛機上用量的日益增加，其重要性也越來越突出。由于先進復合材料的可設計性及其在提高飛機性能上的巨大潛力，復合材料在飛機上應用的部位和用量的多少幾乎已成為衡量當代飛機先進性的一個重要標志。

　　然而復合材料的結構設計與傳統金屬結構的設計又有許多本質的區別且更加復雜。原因是復合材料在結構設計時并無確定的結構材料存在，其產品和材料的研制是同時進行的，材料的制造同樣要按結構設計進行，因此需要設計人員與分析、制造人員之間更密切地配合，數據傳遞也更為頻繁。

　　復合材料傳統研制方法

　　在傳統的復合材料研制模式中，設計、分析及制造之間的數據是通過模擬量傳遞的。設計工程師根據設計輸入條件，依靠自身的經驗和空間想象能力繪制鋪層圖和鋪層順序表，其中包括鋪層的每一個細節，如尺寸、形狀、剪口、鋪層順序、鋪層角度等;強度校核時，分析工程師根據圖紙內容及其對圖紙的理解，將鋪層信息等內容反映到強度計算模型中;工廠制造時，工裝設計人員根據圖紙設計模線樣板及模具，零件制造車間再根據模線樣板下料、鋪疊(。成型工藝以手工為主，構件質量在很大程度上依賴于工人的經驗和熟練程度。

　　總的來說，這種傳統的復合材料設計制造方式極可能會在設計、分析、制造(CAD/CAE/CAM)間出現數據源不唯一的情況，且制造的效率和精度都比較低，成本也過高，極大阻礙了復合材料的廣泛應用。

　　復合材料數字化設計、分析與制造

　　復合材料設計、制造專用軟件的開發以及各種復合材料數控制造設備(如預浸料自動剪裁設備、激光投影設備和纖維自動鋪放設備等)的研制成功，使復合材料構件研制過程的數據以數字量傳遞成為可能，設計、分析、制造結合得更為緊密。

設計、分析與制造見的數據傳遞

　　通過在復合材料構件研制過程中引入數字化技術，可以保證設計、分析、制造數據源的唯一，真正做到復合材料CAD/CAE/CAM一體化，便于數字量傳遞，減少研制時間，加快研制進度。

符合材料傳統研制法

　　復合材料數字化建模

　　復合材料結構設計為后續的分析、制造等環節提供數據源頭。而復合材料構件的三維數字化模型是復合材料結構設計的最終表達，并且復合材料構件數模的建立貫穿于整個復合材料研制過程中。因此研究復合材料數字化建模是發展復合材料數字化設計/制造能力的基礎。通過采用復合材料三維模型數據集，可以完全擺脫傳統的二維設計模式，真正實現數據的數字量傳遞，使設計和表達更為簡單，效率更高。

　　1數字化建模流程

　　根據復合材料結構設計的一般流程，可以將復合材料數字化建模分為3個階段：初步設計階段、詳細設計階段和制造準備階段。復合材料專用設計制造軟件是進行復合材料構件數字化建模不可缺少的工具。目前常用的主要有CATIA-CPD模塊(CATIA-Composite Design)和FiberSIM軟件。從復合材料初步設計到制造準備，CATIACPD模塊根據設計對象的不同階段提供了很多實用的建模工具，如區域建模、鋪層設計、可制造性分析、實體生成和鋪層展開等。

　　1.1初步設計

　　復合材料構件初步設計主要完成區域和過渡區域的建模，基于區域自動生成構件粗略的三維實體，用于建立飛機的初級電子樣機。

　　(1)定義設計貼模面。

　　設計貼模面即零件的外型面，是復合材料構件的設計表面，同時也是模具設計制造的依據。對于蒙皮類零件，設計貼模面一般為飛機理論外形的一部分，可直接從外形文件中提取;部分飛機內部復合材料構件(如梁、肋等)，需要手工擬合設計貼模面。

　　(2)建立鋪層坐標系。

　　鋪層坐標系用來標識纖維的基本方向，即0°方向。對于平板類零件，一般建立笛卡爾坐標系，坐標系的X軸方向為纖維縱向(0°方向)，XY 平面為纖維所在鋪層的平面或曲面外形的切面;筒形零件一般建立圓柱坐標系。每層單向帶都有一個相對于鋪層坐標系的鋪設角度，用來標識該層的纖維方向。

　　(3)區域、過渡區域建模。

　　區域是層合板上具有不變厚度和鋪層百分比的部分。有了零件的設計表面，就可以根據具體的結構參數在該設計表面上劃分不同區域，定義每一個區域上的鋪層參數包括區域的封閉輪廓、參考坐標系、材料和各鋪設角度下的鋪層數。相鄰2個區域之間并且定義鋪層遞減關系的部分為過渡區域(即丟層區)。

圖4 初步設計階段的區域建模

　　(4)基于區域創建實體。

　　該實體較為粗糙，尤其是在過渡區域與真實結構存在較大差距，只能用于初級的電子樣機協調。

　　1.2鋪層詳細設計

　　鋪層詳細建模是復合材料數字化建模的核心問題。

基于區域生成的實體模型

　　(1)基于區域生成鋪層。

　　依據前面定義的區域模型利用鋪層建模工具，可自動生成構件初步的鋪層定義，每一鋪層具有幾何輪廓、材料類型、鋪設角度和參考坐標系等屬性數據，所有的鋪層在產品結構樹上按照鋪放順序組成一個鋪層組。

　　(2)鋪層輪廓剪裁。

　　自動生成的鋪層輪廓有時與設計人員想要得到的鋪層輪廓有一定差距，尤其是在過渡區域一般未包含鋪層遞減信息。輪廓剪裁工具可以讓設計人員將相鄰區域的鋪層按照一定的規則進行丟層，實現區域過渡。

　　(3)調整鋪層順序。

　　簡單的鋪層調整(角度、順序和輪廓等)可直接在CATIA中進行;若調整幅度較大，借助表格對鋪層進行批量調整是最為常用的方法。

　　(4)對稱鋪層。

　　除特殊需要外，復合材料結構應采用均衡對稱鋪層，以避免固化后由于耦合引起制件翹曲。對于對稱鋪層結構，在上述建模步驟中只需完成一半鋪層的復合材料構件設計建模，然后再進行鋪層對稱。

　　圖6 是按照上述步驟生成的完整的鋪層數據，過渡區域部分可以明顯看出鋪層的遞減關系，不同顏色的幾何輪廓標識不同的鋪設角度，鋪層的非幾何數據存儲在鋪層屬性中。

　　(5)基于鋪層創建實體。

　　復合材料構件的最終形狀是由許多鋪放在模具表面的鋪層和夾芯決定的。從設定的貼模面、鋪層和夾芯可自動生成層合板三維實體模型。該三維實體用于定義構件的形狀及定維特征，以便在重量和重心分析、數字樣機協調和工裝設計等過程中應用。

　　1.3制造準備

　　制造準備階段是制造工藝人員在結構設計人員提供的復合材料構件數模的基礎上進行制造、詳細建模，為數字化制造做準備。這個階段主要完成構件鋪層分塊、可制造性分析、鋪層展開和制造數據輸出等工作。

基于鋪層定義的三維實體

　　由于預浸料寬度的限制，需要按適當的間距將超出限制寬度的鋪層進行分塊。當復合材料構件的外形較為復雜時，某些區域會因材料過多引起褶皺，或因材料過少而造成搭接，因此需要對鋪層進行可制造性分析，根據分析結果采取相應的措施(如更換鋪放起始點或剪口)進行更正。一旦工藝人員對鋪層幾何感到滿意，即可將鋪層展開成對應的二維平面圖。復合材料設計制造軟件還提供與數字化制造設備的數據接口，自動生成設備所要求的輸入文件格式，直接驅動設備的運行，包括排樣下料系統、激光投影系統、自動鋪帶機和纖維自動鋪放設備等。

　　需要注意的是，可制造性分析同時也是結構設計人員在詳細設計階段要做的工作，通過分析可以在設計早期預防零件制造時出現變形、起皺的現象。

　　2優點總結

　　采用復合材料構件數字化建模主要有以下優點：

　　(1)復合材料數字化建模可有效解決復合材料的三維設計，在數字樣機上實現與周邊零件的裝配和協調;

　　(2)數字化模型除滿足結構協調、供數字化樣機使用外，還有其他顯著的優點，如在初步設計階段，可以快速建立復合材料3D模型，可快速調整鋪層參數和零件間的關聯性，方便修改;

　　(3)可直觀了解鋪層情況(纖維的鋪放角度變化)，在關鍵點檢查鋪層的對稱、均衡等特性，有助于提高設計質量;可對所設計零件進行工藝性分析，通過鋪層仿真，檢查由于復雜曲面造成的纖維偏移、彎曲，預見由此帶來的變形、起皺等問題，可節約工藝試制的周期和成本;

　　(4)為后續設計提供設計輸入，形成復合材料蒙皮類零件的內型面，為設計與復合材料配合的零件提供外形;

　　(5) 通過其分析軟件的接口，直接生成復合材料鋪層信息傳入PATRAN，減少強度建模的時間和提供準確的鋪層信息。并可將結構設計信息(材料和鋪層位置、纖維方向等)方便快捷傳遞到強度設計部門，強度設計部門可實時得到結構設計信息，便于結構、強度協同設計;

　　(6) 通過復合材料數字化模型

　　的二維展開功能，直接生成下料展開文件，由自動下料機進行自動切割，在鋪疊時通過激光投影儀進行定位，直接進行鋪疊。給制造提供方便(可提供鋪層展開圖，不需要模線樣板，可供工廠自動化下料，實現自動化鋪疊，為模具提供設計及制造依據)，減少工藝準備時間。

　　復合材料數字化建模規范

　　復合材料專用軟件雖然提供了比較多的建模工具，但由于復合材料構件結構形式的多樣性以及設計表達的復雜性，使得設計人員較難在短期內熟練掌握復合材料數字化建模技術，除了進行必要的培訓外，建立相應的建模規范來指導和規范設計人員進行數字化建模，是保證復合材料數字化設計制造快速發展的重要手段。

　　復合材料構件的結構形式不同，其建模方法也不同。因此建議復合材料建模規范可分為兩部分建立：第一部分是復合材料數字化建模規范總則，主要描述復合材料構件的通用建模要求、建模質量要求、專用術語及定義、數據和數據集的存放及命名規則等;第二部分為復合材料構件數字化建模指南，即通過實例來描述不同結構形式的復合材料構件的具體建模步驟，要具有很強的可操作性。所有指南須遵循共同的規范總則。

　　目前首先要做的是設計部門與制造部門一起，結合目前國內復合材料構件設計制造的特點，分析數據傳遞規則，共同討論建立一個初步建模規范，并在今后的發展、交流過程中不斷完善，從而逐漸形成完整的建模規范體系。這樣才能促進復合材料數字化設計/制造的快速發展，真正擺脫傳統的二維設計模式，實現數字量傳遞，保證數據源的唯一。

　　結束語

　　隨著計算機技術的飛速發展、CAD技術的廣泛應用，準確直觀的計算機數模取代了傳統的工程圖紙，從而使設計質量得到極大的提高，設計周期大為縮短，且研制費用大為降低。波音公司在研制其B777時就已應用三維CAD / CAM軟件CATIA 完全實現了無紙設計。目前，國內飛機設計制造領域機械加工的金屬零件已率先實現了全三維數據集定義。復合材料零件因其三維數字化表達較為復雜，以及傳統的設計/ 制造模式根深蒂固，數字化進展較為緩慢。

　　設計人員掌握復合材料數字化建模技能并能夠熟練地應用是構建數字化設計/制造系統框架的一個重要前提。此類能力如不完備，在飛機復合材料數字化設計/制造上即便有完好的系統設想，也難有實施的可能。