CATIA V5復合材料設計

1、CATIA V5復合材料設計浦一飛 李金超 引言 隨著航空工業(yè)的發(fā)展，復合材料的應用顯得越來越重要。復合材料的設計與傳統(tǒng)金屬結構設計不同，需要考慮諸多的因素，如：多種的材料組合、材料的各向異性、材料的鋪層順序、產(chǎn)品的可制造性等。CATIA V5 為復合材料設計提供了一整套完整而專業(yè)的解決方案，包括復合材料本體的設計、DMU/CAE 分析、可制造性分析等等。本文以蜂窩夾層復合材料為例，介紹了CATIA V5 對復合材料從設計、分析到制造的全過程。 一、蜂窩夾層復合材料簡介 蜂窩夾層結構主要由兩層面板(蒙皮)中間夾以蜂窩芯材(夾芯)用膠粘劑膠接構成，具有比強度和比剛度高，抗疲勞性能好和耐腐蝕等優(yōu)點

2、，同時還具有許多特殊功能，如：減震、消音、吸音、吸收和透射電磁波、隔熱以及導流和變流等功能。 因此隨著航空工業(yè)的發(fā)展，蜂窩夾層結構在飛機結構上廣泛應用，如：前緣、后緣翼面，襟翼，擾流片，升降舵，方向舵，整流罩，地板，隔板等均為蜂窩夾層結構。 蜂窩夾層結構件的構成包括：（圖1） 圖1 蜂窩夾層復合材料a) 面板； b) 邊緣閉合件； c) 蜂窩夾芯。 航空蜂窩夾層結構多采用鋁合金板或復合材料板材作面板，用鋁、芳綸紙或玻璃布蜂窩作夾芯材料，用熱固性膠粘劑通過加熱加壓的方法將二者粘接成為整體。蜂窩夾層結構件可 按不同的情況分為： 1) 按面板材料：分為復合材料面板和金屬面板；（本文針對復合材料面板）

3、 2) 按夾芯類型：分為蜂窩夾層結構、泡沫塑料夾層結構和蜂窩/泡沫塑料混雜夾層結構； 3) 按蜂窩材料：分為金屬蜂窩夾層結構和非金屬蜂窩夾層結構。 二、CATIA V5 復合材料設計 我們將復合材料的設計劃分為：初步設計階段、詳細設計階段、加工詳細設計階段、加工輸出階段等四個階段（圖2）。CATIA V5 Composite design(CPD) 復合材料設計以流程為中心，能滿足以上各個階段的用戶使用需求，為用戶提供完整端到端的復合材料解決方案。 2.1 復合材料初步設計階段 蜂窩夾層零件復合材料零件是由支撐面，蜂窩和外表面構成（見圖1）；支撐面、外表面分別為鋪層復合材料鋪層，蜂窩為實體。因

4、此，在進行復合材料設計前，我們必須在CATIA 曲面設計（GSD）和零件設計（PDG）中，準備相關的曲面、相關輪廓線和蜂窩實體，然后再進入到Composite Design中進行復合材料設計。 在初步設計階段，CATIA 復合材料設計（CPD）為用戶提供以下功能： 1. 建立復合材料庫，根據(jù)用戶的需求，定義復合材料屬性，基本參數(shù)包括所屬材料庫、纖維鋪設角度、復合材料有限元屬性等。 2. 選擇定義好的復合材料庫、復合材料屬性（如纖維方向的命名和排序），并且設置CATIA復合材料環(huán)境參數(shù)。 3. 根據(jù)已經(jīng)有的支撐面及輪廓定義Zones Group.1（區(qū)域組1）；在Zones Group.1 內定

5、義區(qū)域和過渡區(qū)，并且根據(jù)設計要求定義層壓板相關屬性。Zones Group.1的區(qū)域和過渡區(qū)域4. 分析邊界狀態(tài)分析邊界狀態(tài)分析的內容包括： 區(qū)域之間的邊界分析，分析結果如下： 黃色表示區(qū)域外部輪廓。 紅色表示兩個區(qū)域的連接線。 過渡區(qū)域之間的邊界分析，分析結果如下： 綠色表示區(qū)域外輪廓線。 藍色表示區(qū)域和過渡區(qū)域的邊界。 藍綠色表示兩個過渡區(qū)的邊界。 5. 根據(jù)分析的結果，定義強制過渡點（ITP）；重新進行邊界狀態(tài)分析，直到滿足設計要求。 6. 根據(jù)區(qū)域組生成頂層表面，該頂層表面為外表面的參考曲面。生成實體和頂層表面7. 曲面修剪 切換到曲面設計（GSD），通過Trim（修剪）的功能，將頂層

6、表面與蜂窩表面進行修剪； 得到蜂窩的外表面。并將相關的輪廓線重新替換到外表面上。生成蜂窩外表面8. 定義外表面區(qū)域組 返回到復合材料設計，根據(jù)第7 步定義好的外表面及輪廓定義Zones Group.2（區(qū)域組2），在ZonesGroup.2 內定義區(qū)域和過渡區(qū)，并且根據(jù)設計要求定義層壓板相關屬性。定義外表面區(qū)域組9. 分析邊界狀態(tài) 如果不滿足設計要求，則定義強制點（ITP），再重新分析直到滿足設計要求。 10. 如果滿足設計要求，由定義好的區(qū)域組生成鋪層表，鋪層表為Excel 或Text 格式；鋪層表包含層壓板相關信息：鋪層順序、鋪層、材料、纖維鋪設方向、幾何基準、鋪層所在區(qū)域。 11. 根據(jù)

7、設計要求，調整鋪層表，調整鋪層順序，并且管理層壓板信息直到滿足設計要求。 2.2 復合材料詳細設計階段 初步設計完成后，進行工程詳細設計，CATIA復合材料設計（CPD）為用戶提供以下功能：復合材料詳細設計鋪層生成 復合材料分析 爆破顯示 工程制圖定義 CPD 中提供三種鋪層的生成方法： 第一種方法是將在初步設計階段中定義好的鋪層表或者區(qū)域組，導入到CPD 中直接生成鋪層，過渡區(qū)鋪層的臺階系統(tǒng)將自動生成。 第二種方法是根據(jù)初步設計階段定義好的區(qū)域組，生成整張鋪層和臺階邊界（ETBS），并且生成帶ETBS 的鋪層表文件（格式為Excel 或者Text）。設計工程師可根據(jù)臺階邊界（ETB

8、S）及鋪層文件提供的信息，手工的設計修剪鋪層和鋪層臺階，直到滿足設計要求。 設計工程師也可以調整鋪層文件中邊界臺階（ETBS）參數(shù)和方向，然后再將鋪層文件導入到CPD 中，生成鋪層及鋪層臺階。 第三種方法是根據(jù)鋪層輪廓，手工生成單一鋪層，這種方法經(jīng)常用于夾層復合材料蜂窩夾層單一外表面鋪層。 1. 生成支撐表面鋪層 將Zones Group.1（區(qū)域組1，支撐面組），生成支撐面鋪層（方法可以參考鋪層的生成方法一或二）。支撐表面鋪層2. 定義蜂窩芯子定義蜂窩芯子定義鋪層組，命名為Plies Group.2，在Plies Group.2 中選擇蜂窩實體定義芯子（Core）。 3. 生成外表面鋪層 將

9、Zones Group.2（區(qū)域組2，外表面組）生成外表面鋪層（方法可以參考鋪層的生成方法一或二）。外表面鋪層4. 生成鋪層后，進行復合材料分析。 CPD 提供兩種分析方法： 第一種方法可以對設計好的鋪層、鋪層組或鋪層基準進行數(shù)字分析，可以得到以下的分析結構：數(shù)字分析所用材料面積 所用材料體積 重量 中心位置 花費評估 并且分析的結果可以保存在CATIA 結構樹上，也可以將分析結果輸出。 第二種分析方法是取樣點分析CoreSampling Analysis，只需要選擇取樣點就可以得到取樣點處層壓板的特性?？梢蕴崛∫韵滦畔ⅲ喝狱c分析取樣點處鋪層的數(shù)量 取樣點處鋪層總厚度 取樣點處層壓板屬性（包

10、括順序、鋪層、夾層件、材料、纖維方向、局部坐標）并且分析的結果可以保存在CATIA 結構樹上，也可以將分析結果輸出。 5. 在鋪層生成和分析完成后，通過鋪層爆破（Ply Exploder）和電子樣機空間分析，進行鋪層真實截面顯示。鋪層爆破、截面分析6. 復合材料設計提供可視化鋪層實體生成工具，將鋪層生成實體，這樣設計工程師可以真實了解實際復合材料鋪層情況；還提供鋪層內模曲面（IML ：Inner Mold Line）工具，生成相關復合材料模胎曲面。鋪層生成實體7. 設計工程師不需要進行數(shù)據(jù)轉換，將復合材料詳細設計的結果，直接在CATIA CAE 中進行網(wǎng)格劃分和有限元分析，檢查分析設計結果是否

11、滿足設計要求；如果不滿足要求，重新進行復合材料設計，直到最終滿足設計要求。有限元分析8. 設計工程師在復合材料詳細設計完成后，將設計的產(chǎn)品生成二維工程圖。工程圖中可包括鋪層實體、鋪層截面、展開視圖及其相關標注、鋪層表等。工程制圖 2.3 復合材料加工詳細設計階段 在工程詳細設計完成后，進入制造詳細設計階段。復合材料設計（CPD）為用戶提供以下功能：加工詳細設計制造模型定義 制造曲面轉換 毛坯尺寸定義 可制造性分析 皺褶裁剪 平面樣圖展開 具體的步驟如下： 1. 定義制造模型定義制造模型制造工程師根據(jù)實際使用的需要，在原始模型上定義制造模型或者定義新的制造模型。在CATIA 結構樹上，

12、Stacking（工程）名字更換為：Stacking（制造） 2. 制造曲面轉換 考慮到模具曲面和復合材料回彈因素等加工因素，制造工程師將原有的設計曲面轉換為制造曲面。制造曲面轉換3. 定義毛坯尺寸定義毛坯尺寸制造工程師在定義好制造曲面上，定義兩個邊界：工程邊界EEOP（The Engineering Edge Of Part）和制造邊界MEOP （The Manufacturing Edge Of Part）。然后根據(jù)制造邊界MEOP 定義復合材料零件的毛坯尺寸。 4. 可制造性評估和皺褶修剪 制造工程師將定義好的制造模型，選擇鋪層、選擇種子點、并且指定纖維的徑向和緯向的半徑，進行可制造性評

13、估，分析纖維鋪層在鋪設過程中是否會產(chǎn)生皺褶，并且將分析的結果保存在結構樹上。制造工程師根據(jù)評估的結果，在容易發(fā)生皺褶的地方，對鋪層進行重新修剪?？芍圃煨栽u估皺褶修剪 5. 平面樣圖展開 制造工程師將每一個鋪層在平面上展開，并且可以生成展開的鋪層表（Ply Book），供制造商使用。平面樣圖展開2.4 復合材料加工輸出 制造工程師將有效的制造信息輸出，Dassault Systemes公司強大的合作伙伴能夠確保所有復合材料零件的制造。制造信息輸出的外部文件為DXF 格式的2D 展開圖和IGES 形式的3D 鋪層和2D 展開圖。DS 的合作伙伴為CATIA V5 CPD 提供了完整的生產(chǎn)

14、制造系統(tǒng)； 如Laser Projection 提高生產(chǎn)效率和縮短鋪層時間，還有以下的復合材料制造方法：Nesting and Cutting of fabrics, Resin Transfer Molding Simulation, Tape Laying Design and Programming,Fibre Placement Automation。 三、CATIA V5 復合材料設計的價值 CATIA V5 Composite design(CPD) 復合材料設計以流程為中心，能滿足以上各個階段的用戶使用需求。設計工程師在初步設計階段，也能考慮到產(chǎn)品的可制造性。比如在初步設計階段，

15、設計工程師通過的可制造性檢查，及時地預測采用什么樣的復合材料才能滿足復雜的曲面特性；通過可視化的纖維方向，預測在制造過程可能出現(xiàn)的起皺或凸起；從而使設計工程師在設計階段就及時地考慮到產(chǎn)品的可制造性。強大的工程同步功能，能夠使工程設計與制造同步，使制造工程師更緊密地與設計工程師合作。 CATIA V5 CPD 與其它的V5 產(chǎn)品相結合，在保持數(shù)據(jù)格式唯一性的前提下進行多學科的協(xié)同設計，從而為復合材料設計提供了全面的設計手段，加速產(chǎn)品的創(chuàng)新。 通過CATIA 的有限元分析模塊，如GPS，F(xiàn)MS 對復合材料零件進行有限元分析，無須數(shù)據(jù)轉換和重構； 通過CATIA 的DMU 模塊，在電子樣機下進行協(xié)同

16、設計； 通過CATIA 的NC 模塊，進行加工分析和驗證； 通過CATIA 的知識工程模塊，進行知識的捕獲和重用，并建立企業(yè)標準的知識庫，提高設計效率。CATIA V5 CPD 可以滿足不同的復合材料工藝設計要求，這些工藝包括： 手糊成型工藝（Fabric hand lay-up process） 鋪帶工藝（手工和自動）（Tape laying process : manual and automatic） 樹脂傳遞成型（Resin Transfer Molding process） 光纖鋪放工藝（Fiber placement process） 纏繞成型工藝（Filament winding process） CATIA V5 CPD 能夠將有效的制造信息輸出，DS 的合作伙伴為CATIA V5 CPD 提供了完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)解決方案：Laser Projection，Nesting and Cutting of fabrics, Resin Transfer Molding Simulation, Tape Laying Design and Programming, Fibr