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1FiberSIM輔助壁板設(shè)計(jì)

需要總體、強(qiáng)度、材料和工藝等部門提供產(chǎn)品基準(zhǔn)、材料信息、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求等相關(guān)設(shè)計(jì)輸入條件；設(shè)計(jì)部門根據(jù)輸入條件在CATIA中創(chuàng)建參考要素以支持FiberSMI的設(shè)計(jì)；在FiberSIM中創(chuàng)建復(fù)合材料零件特征；利用FiberSIM工具生成工藝所需要素；在CATIA中完成三維標(biāo)注；進(jìn)行評(píng)審，如不滿足要求，則需重復(fù)上述步驟。本文將就FiberSIM輔助機(jī)身壁板設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)展開論述，分析相關(guān)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料蒙皮制造仿真結(jié)果影響。

2坐標(biāo)系定義

假設(shè)飛機(jī)的順航向?yàn)閄軸，翼展方向?yàn)閅軸，高度方向?yàn)閆軸。壁板的蒙皮局部參考坐標(biāo)系應(yīng)位于曲率較小的區(qū)域，x軸選擇蒙皮的長(zhǎng)方向，y軸選擇蒙皮的短方向，以保證模擬鋪層鋪貼仿真時(shí)，纖維變形最小化。

3鋪層整合

蒙皮鋪層信息是FIBERSIM建模的重要輸入條件，所示給出了各個(gè)區(qū)域的鋪層順序、鋪層角度、蒲城數(shù)量等信息。蒙皮是基于區(qū)域設(shè)計(jì)的，生成鋪層前需根據(jù)設(shè)計(jì)輸入條件對(duì)蒙皮進(jìn)行區(qū)域劃分，鋪層特性相同部分將劃分為同一區(qū)域。

4過渡區(qū)域定義

可以定義厚度不同的相鄰區(qū)域邊界的遞減或交錯(cuò)樣式。根據(jù)定義的區(qū)域過渡信息生成鋪層的邊界和排序，因此不需要事先在CATIA中創(chuàng)建各個(gè)鋪層的邊界。此功能可以快速準(zhǔn)確定義區(qū)域間的鋪層過渡，避免手工逐層定義鋪層邊界，節(jié)省設(shè)計(jì)工時(shí)和成本。

5蒙皮仿真分析

鋪層纖維偏移角度的限制在鋪層仿真時(shí)，還需定義鋪層纖維角度偏移警告值和限制值。通常該限制值由強(qiáng)度部門根據(jù)部件的關(guān)鍵等級(jí)、載荷情況和材料屬性進(jìn)行定義。如針對(duì)碳纖維織物CYCOM985/HTA強(qiáng)度部門定義的纖維角度偏移警告值為3°，限制值為5°。而材料供應(yīng)商定義的纖維角度偏移警告值為17°，限制值為33°。由此看來強(qiáng)度給出的數(shù)值十分嚴(yán)格，這是源于結(jié)構(gòu)的安全性考慮。纖維間距因子（Fiberspacingfactor）在鋪層仿真時(shí)，要設(shè)置纖維間距因子的數(shù)值，數(shù)值范圍為0~1。數(shù)值過大將不能反應(yīng)真實(shí)鋪貼情況，數(shù)值過小仿真運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)，效率低。中給出不同纖維間距因子仿真結(jié)果對(duì)比。中區(qū)域?yàn)槔w維偏移距離超過纖維角度偏移限制值，區(qū)域表示纖維角度偏移距離介于警告值和限制值之間。區(qū)域均表示纖維角度偏移距離警告值以內(nèi)。實(shí)際證明，纖維角度間距因子取0.25時(shí)，既符合真實(shí)鋪貼情況，運(yùn)算時(shí)間又可接收。鋪層原點(diǎn)的拾取鋪層仿真分析時(shí)需要定義鋪層鋪貼原點(diǎn)，原點(diǎn)位置的選取對(duì)分析結(jié)果有很大的影響。所示出的是蒙皮某鋪層仿真分析原點(diǎn)不同時(shí)，造成的不同結(jié)果。從中可以看出，原點(diǎn)取在壁板一側(cè)時(shí)，壁板另一側(cè)纖維變形過大、區(qū)域較大，而將原點(diǎn)取在壁板中間區(qū)域時(shí)，纖維變形區(qū)域則較小。因此進(jìn)行鋪層仿真分析時(shí)，需調(diào)整鋪層原點(diǎn)位置盡量使區(qū)域最小化。設(shè)計(jì)過程中如果發(fā)現(xiàn)由于零件形狀復(fù)雜，沒有辦法消除仿真時(shí)出現(xiàn)的堆積和褶皺等警告區(qū)域，可按需設(shè)計(jì)切口和拼接。FiberSIM中只需定義第一個(gè)鋪層的切口和拼接，后續(xù)鋪層可按定義的交錯(cuò)規(guī)則自動(dòng)生成。如果鋪層間中需插入新鋪層，智能切口和拼接功能可以自動(dòng)更新，這也使設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化。鋪層裁剪和搭接碳纖維織物原材料寬度通常為定值，當(dāng)蒙皮尺寸較大時(shí)，蒙皮鋪層需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行裁剪。裁剪后的子鋪層之間需進(jìn)行搭接處理。FIBERSIM可以進(jìn)行鋪層裁剪仿真分析，并生成搭接區(qū)。為保證纖維的連續(xù)性，搭接區(qū)應(yīng)垂直于纖維方向，搭接量為0.75~1.00in。

6工藝要素生成

自動(dòng)生成鋪層鋪貼面可以準(zhǔn)確直觀地模擬出每個(gè)鋪層真實(shí)鋪貼情況，為制造提供直接的工裝設(shè)計(jì)參考面和各個(gè)鋪層的鋪貼模擬曲面。生成鋪層截面信息可以很好地顯示出該處的鋪層順序、鋪層角度、鋪層方向，可以輔助生成零件鋪層表。生成鋪層展開邊界可以為制造提供直接的邊界參考數(shù)據(jù)，并可驅(qū)動(dòng)激光投影儀、自動(dòng)下料機(jī)、自動(dòng)鋪帶（絲）機(jī)等設(shè)備。

7結(jié)束語

能輸出零件重量屬性數(shù)據(jù)，有效支持重量控制，達(dá)到結(jié)構(gòu)減重目標(biāo)。提高產(chǎn)品工藝性。FiberSIM可以生成復(fù)雜曲面的鋪層平面展開，并可以確定滿足鋪層邊界。還可提供的鋪層鋪貼面、曲面仿真可靠性高，可滿足工藝相關(guān)要求。降低設(shè)計(jì)和制造成本。在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)和制造問題。通過FiberSIM仿真分析可以提早發(fā)現(xiàn)、提早解復(fù)合材料在后續(xù)制造過程中可能出現(xiàn)的工藝問題，降低制造風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本。

作者：張俊鼎陳斌單位：中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司