王宏

摘 要：由于复合材料具有一系列传统材料无可比拟的优点而在直升机装备中得到广泛的应用。但复材构件材料的可设计性以及成型工艺的特点，使得传统复材构件产品研制周期长，设计过程反复更改。基于MBD复材构件的数字化集成设计，围绕构件全生命周期展开，实现复材构件设计过程中数据的重用以及各个方面的交叉迭代，保持设计与分析，设计与制造高度的集成和一体化，提高复材构件质量，降低开发成本。

关键词：复材构件;三维设计;数字化

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.12.086

复合材料由于其一系列优越性为生产重量轻、性能高的结构提供了令人瞩目的机遇，在直升机上的用量也日益提高。复合材料的性能可设计性以及零件制造和材料成形同时完成的工艺特点，使复合材料构件的设计制造具有复杂性及独特性。近年来，随着MBD技术在直升机行业全面应用，复材构件已经实现全三维模式下的设计和制造。但在实际应用过程中，各单位都在各自负责的型号研制过程中进行摸索，缺乏统一的认识和整体的考虑。

本文以当前直升机行业MBD全面应用为基础，对复材构件数字化集成设计流程以及集成设计中几项关键技术进行探讨。初步介绍复材构件数字化集成设计各阶段数据接口及交换形式，促进复材构件数字化设计、分析、制造的一体化。

1 基于MBD复材构件数字化定义

基于MBD复材构件数字化定义是以复材构件数字化集成设计为基础，是按照复材构件逐层叠加的特点，采用数字化形式对复材构件进行完整描述的过程。如图1所示，复材构件数字化定义模型包含基准数据、工程注释、三维主模型、尺寸与公差数据。其中三维主模型是复材构件与金属零件数字模型最大的不同。三维主模型包含贴模面和铺层数据，铺层数据是复材构件定义的核心，也是数字化集成设计中与分析和制造进行集成的基础。

2 基于MBD复材构件数字化设计流程

基于MBD复材构件数字化集成设计的核心是在设计过程中数据的重用以及各个方面的交叉迭代，及时预测可能出现的问题，实现设计、分析和制造的一体化。在基于MBD复材构件数字化集成设计中，首先，设计人员根据构件设计要求对构件成型方法和材料进行选择，并在复材构件设计软件中进行几何建模，完成外形结构设计，同时进行初步有限元分析，确定材料铺放表面;其次，根据设计经验完成铺层设计，并在设计过程中进行详细有限元分析，对铺层设计结果进行优化，完成模型三维标注和定义，进行制造模型发放;再次，工艺人员对复材构件制造模型进行可制造性分析，模拟纤维铺放过程可能遇到工艺缺陷，并对设计进行反馈;最后，对铺层数据进行展开，获得下料数据及激光投影数据，或直接输出自动铺放设备程序代码。典型基于MBD复材构件数字化设计流程如图2所示。

3 复材构件设计与分析的数据集成

复材构件一般由不同的材料层片铺叠而成，每个铺层都具有不同的取向和形状，这种结构形式为复材构件分析提出更高要求。利用复材构件设计和分析的集成，可将在复材建模软件中铺层形状、位置以及纤维真实取向传递给分析软件，进而实现更加有效的性能验证仿真。但在实际应用过程中，结构设计部门使用CATIA进行三维建模，分析部门使用MSC.Patran进行有限元分析，不同部门之间软件环境的差异，使得不同格式模型在不同部门间流转中其准确性检验也变得困难。目前，可使用以下方法进行数据集成。

3.1 基于XML文件的材料铺放数据的集成

XML文件按照一定的层次对铺层材料、铺层形状、铺层角度等材料铺放数据进行描述，并采用一种三角面片近似表示铺放表面信息。使用XML文件进行材料铺放数据的集成，可以准确定义在制造状态下真实的纤维路径。在有限元软件材料属性定义中导入含有材料铺层数据XML文件，使包含详细制造数据的三角面片網格和有限元网格进行映射，实现设计软件和分析软件的材料铺放数据的集成。

3.2 基于专用数据接口的材料铺放数据的集成

Laminate Modeler是MSC.Patran中进行复合材料有限元建模的专用模块。如图3所示，可以将CATIA CPD中复合材料铺放数据输入到MSC.Patran中，然而，CATIA CPD和Partran数据接口形式，无法实现数据的双向反复的迭代。Partran分析后获得的修正结果无法再无缝导入CPD对铺层设计进行调整。

4 复材构件设计与制造的数据集成

目前，直升机行业复材构件制造引入数字化设备主要有自动化下料设备、激光投影系统和自动铺放设备。其中自动化下料设备、激光投影系统是最常用制造设备。

4.1 设计数据与下料设备的集成

专用数字化下料设备应用，大大提高下料的效率。如图4所示，采用设计数据到排样下料设备的集成，首先，数据转换和排样软件接收基于MBD复材构件数字化定义数据生成的铺层展开数据;然后，在原材料宽度约束下对铺层展开数据在二维平面内排样，利用控制软件中自动排样算法对排样进行优化;最后，排样软件根据排样结果生成数控程序，输入到剪裁设备进行预浸料的切割。复材构件设计数据与下料设备进行集成，可以大大减少不必要错误，提高效率。

4.2 设计数据与激光投影系统的集成

激光放样系统由控制计算机、激光头支架、激光发射头、定位头、系统校准激光反射片、逆向数字化激光牵引片和校验工装7部分组成。对于大型构件，单个激光头无法满足要求时，可以使用多个激光头进行拼接投影。如图 5所示，激光放样数据主要由激光放样数据和校准数据组成，激光放样数据主要包含铺层顺序和编号非几何信息以及铺层边界、起点和方向几何信息。铺层边界通过提取铺层形状中一系列离散点组成，激光头通过不断对这些离散点扫描，完成铺层形状轮廓的投影。校准数据主要用于定义位于工装上定位球来捕获工装与激光投影头相对位置，进而可以自动调整放样轮廓。在激光放样数据被最应用车间生产前，还可以将激光放样数据导入CAD系统中，通过在铺层边界生成激光投影数据点来检验激光放样数据是否正确，如果发现异常，可以对放样数据进行重新生成。

5 结论

本文以当前直升机行业MBD全面应用为基础，总结了基于MBD复材构件数字化定义的数据内容和组织形式， 结合具体型号，梳理基于MBD复材构件数字化集成设计流程，提升企业复材构件数字化技术的应用水平，促进复材构件数字化设计、分析、制造的一体化。

参考文献

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