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FiberSIM在復(fù)合材料部件 字化設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

飛機(jī)換代最突出的體現(xiàn)就是對(duì)飛機(jī)性能要求的不斷提高，包括減輕結(jié)構(gòu)重量，降低巡航阻力，增大航程；減少結(jié)構(gòu)疲勞損壞，延長(zhǎng)使用壽命；降低制造成本和維護(hù)費(fèi)用。這些要求決定了飛機(jī)減重的迫切性，使航空部件材料和結(jié)構(gòu)的選擇成為提高飛機(jī)性能的關(guān)鍵因素。
復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性以及材料性能可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，應(yīng)用于航空領(lǐng)域中，可以獲得顯著的減重效益，并改善結(jié)構(gòu)性能。目前，復(fù)合材料技術(shù)已成為影響飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，逐漸應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主承力構(gòu)件中，可達(dá)到減重20%～30%的效果。因此，它在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，已迅速發(fā)展成為包括鋁、鋼、鈦在內(nèi)的四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一。
除減重外，復(fù)合材料還具有更好的耐久性，可降低使用維護(hù)成本。在人類(lèi)有動(dòng)力飛行進(jìn)入第二個(gè)百年之后，復(fù)合材料開(kāi)始“領(lǐng)跑”飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，成為“航空航天結(jié)構(gòu)的未來(lái)”。
復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展
傳統(tǒng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造過(guò)程是分別進(jìn)行的。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通常較難確定滿(mǎn)足鋪層邊界要求的準(zhǔn)確平面展開(kāi)圖樣，為避免材料的扭曲變形，需要在制造車(chē)間大量地反復(fù)試驗(yàn)修改，造成了貴重材料的浪費(fèi)和大量的車(chē)間返工；同時(shí)將碳纖維鋪放在一起需花費(fèi)大量時(shí)間（鋪完一個(gè)機(jī)翼壁板鋪層大約需要90～120min），這在一定程度上反映了制造機(jī)翼這樣的大型零件所要面臨的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)在，這些問(wèn)題由于采用了新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)而得以解決。
(1)設(shè)計(jì)與制造一體化技術(shù)。
隨著計(jì)算機(jī)和制造技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)可采用全新的設(shè)計(jì)理念和手段，將設(shè)計(jì)和制造融為一體，將程序化的軟件用于生產(chǎn)制造中，使制造中的問(wèn)題在設(shè)計(jì)初期階段就能加以考慮，從而加快產(chǎn)品研制進(jìn)度，提高質(zhì)量，降低成本。
（2）大面積整體成形技術(shù)。
以共固化/共膠接（Cocured/Cobonded）和無(wú)緊固件（Fastenerless）為核心的整體成形技術(shù)，采用大面積整體成形，少用或不用緊固件，減少了零件數(shù)目，減輕了重量，降低了連接、裝配和制造的成本。

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（3）低成本的制造技術(shù)。
先進(jìn)復(fù)合材料自60年代中期問(wèn)世以來(lái)，在軍用、民用領(lǐng)域的應(yīng)用均得到飛速的發(fā)展。但復(fù)合材料的成本，特別是制造成本較高，成為復(fù)合材料進(jìn)一步應(yīng)用推廣的主要障礙之一。該問(wèn)題已引起世界各國(guó)的普遍重視，特別是以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定低成本的復(fù)合材料發(fā)展研究計(jì)劃，努力實(shí)踐，并已取得較大進(jìn)展。目前，低成本復(fù)合材料技術(shù)已成為全世界復(fù)合材料發(fā)展研究領(lǐng)域的一個(gè)核心課題。
復(fù)合材料制造成本約占復(fù)合材料成本的80%～85%，所以低成本復(fù)合材料技術(shù)中關(guān)鍵是低成本的制造技術(shù)。采用復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，能最大限度地節(jié)省時(shí)間和勞動(dòng)力，速度較手工提高了10倍；同時(shí)能節(jié)省原材料，提高制件精度和質(zhì)量，從而降低了制造成本。
FiberSIM復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造軟件
FiberSIM是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化的軟件，它與CAD軟件緊密集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和分析自動(dòng)化，生成制造工程信息和驅(qū)動(dòng)激光投影儀、自動(dòng)切割機(jī)、纖維鋪放設(shè)備的數(shù)據(jù)，覆蓋復(fù)合材料整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，為復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造提供全面的解決方案，適應(yīng)了復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展要求。

FiberSIM設(shè)計(jì)制造一體化環(huán)

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FiberSIM軟件已成功用于商用和軍用飛機(jī)的設(shè)計(jì)，能夠完成復(fù)合材料部件的可制造性評(píng)估，精確模擬纖維的材料特性，生成平面展開(kāi)圖樣，完成復(fù)合材料部件的分析、設(shè)計(jì)和制造，對(duì)層合板進(jìn)行驗(yàn)證。將三維幾何模型與層合板的設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，并將層合板的設(shè)計(jì)信息與有限元分析軟件和制造設(shè)備形成無(wú)縫連接，可實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程自動(dòng)化，降低制造成本。
FiberSIM在飛機(jī)復(fù)合材料部件數(shù)字化設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用
復(fù)合材料的性能很好地滿(mǎn)足了當(dāng)代新型飛機(jī)的相應(yīng)需求。在美國(guó)先進(jìn)聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)JSF的研制中，波音和洛克希德·馬丁公司都分別使用了大量的復(fù)合材料構(gòu)件，對(duì)這兩家公司都是一大挑戰(zhàn)。他們引進(jìn)了FiberSIM軟件，采用新的技術(shù)手段，利用先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)滿(mǎn)足聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）苛刻的強(qiáng)度要求、成本目標(biāo)和重量標(biāo)準(zhǔn)，克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造中的困難，充分體現(xiàn)了新世紀(jì)復(fù)合材料構(gòu)件低成本技術(shù)的發(fā)展水平。
1 在X-32樣機(jī)研制中的應(yīng)用
從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料主要用于航空航天等領(lǐng)域，波音公司在制造聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)樣機(jī)X-32的很多大型部件時(shí)，就設(shè)計(jì)采用了單向碳纖維復(fù)合材料。并選用了FiberSIM專(zhuān)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造軟件和鋪層方法來(lái)滿(mǎn)足JSF部件使用性能的要求。
下面是波音公司復(fù)合材料部件的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造過(guò)程。
（1）波音公司工程師用CATIA定義模具面、層的位置和邊界、泡沫夾芯的位置等。
FiberSIM軟件將層管理起來(lái)，為每個(gè)層自動(dòng)生成一個(gè)表格，記錄非幾何信息，如材料、方向和順序，并將這些信息與層的幾何邊界、相關(guān)的標(biāo)記等聯(lián)系起來(lái)，確保層在制造過(guò)程中能正確定位。
（2）在初步設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行層制造可行性分析，軟件將顯示出在鋪層時(shí)可能發(fā)生制造問(wèn)題的區(qū)域，對(duì)層的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算層的平面展開(kāi)圖樣。FiberSIM在設(shè)計(jì)階段而不是在鋪層階段生成層的展開(kāi)圖樣，并優(yōu)化層間的錯(cuò)列方式，提高了材料的結(jié)構(gòu)特性，避免了反復(fù)設(shè)計(jì)的過(guò)程，節(jié)省了材料，大大降低了成本。
（3）利用FiberSIM軟件文檔功能，生成鋪層圖、鋪層表、材料表和序列表。與原來(lái)使用CAD系統(tǒng)和電子表格生成這些文檔相比，F(xiàn)iberSIM更加自動(dòng)化，從而使設(shè)計(jì)時(shí)間降低了約50％。

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（4）將FiberSIM生成的包括層合板信息的數(shù)據(jù)輸入到下料機(jī)和噴涂設(shè)備。這種設(shè)計(jì)與制造設(shè)備的無(wú)縫連接，保證了設(shè)計(jì)模型與制造產(chǎn)品的一致性。FiberSIM將平面展開(kāi)圖樣輸出到優(yōu)化排料軟件包中，排料軟件生成下料機(jī)的數(shù)控程序，對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，在節(jié)省大量時(shí)間的同時(shí)，提高了加工的精度和材料的使用率。FiberSIM生成的程序控制噴涂機(jī)在模具上進(jìn)行層的形狀和邊界的噴涂，對(duì)層的鋪放進(jìn)行定位，簡(jiǎn)化了碳纖維的鋪放過(guò)程。
采用新的技術(shù)和軟件來(lái)設(shè)計(jì)和制造復(fù)合材料部件后，波音公司節(jié)省了5％～25％的初始設(shè)計(jì)時(shí)間，減少了45％的反復(fù)設(shè)計(jì)修改時(shí)間，極大降低了手工鋪層時(shí)間（鋪完一個(gè)層從90min減到45min），全過(guò)程控制復(fù)合材料層和帶的形狀和鋪放，消除反復(fù)試驗(yàn)過(guò)程，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
2 在X-35樣機(jī)研制中的應(yīng)用
飛機(jī)的進(jìn)氣道為形狀復(fù)雜的大型多曲度管狀零件，用復(fù)合材料體系成型困難，所以多采用鋁金屬材料。在JSF樣機(jī)X-35的設(shè)計(jì)中，大量采用了復(fù)合材料部件，例如進(jìn)氣道，該部件幾何形狀復(fù)雜，鋪層時(shí)常有扭曲的趨勢(shì)，纖維方向的偏移將降低零件的整體性能，在一些區(qū)域內(nèi)鋪層會(huì)聚成一團(tuán)發(fā)生皺縮。洛克希德·馬丁公司決定將FiberSIM專(zhuān)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造軟件用于JSF進(jìn)氣道的驗(yàn)證上，繼而應(yīng)用到其他的零件中。
FiberSIM軟件在鋪層的設(shè)計(jì)階段仿真層的鋪放過(guò)程，根據(jù)這些信息，優(yōu)化層的設(shè)計(jì)，直接對(duì)鋪層加切口或拼接，軟件會(huì)計(jì)算并顯示出層鋪放的結(jié)果，達(dá)到要求后，便完成了鋪層幾何定義，將材料的扭曲降至公差范圍內(nèi)，消除起皺和開(kāi)裂現(xiàn)象。設(shè)計(jì)好鋪層的幾何參數(shù)后，F(xiàn)iberSIM軟件自動(dòng)生成層的平面展開(kāi)圖樣。在制造階段，軟件將各層展開(kāi)圖樣輸出到數(shù)控切割設(shè)備。三維模型與切割設(shè)備無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)切割自動(dòng)化。同時(shí)這種無(wú)縫連接方式降低了造成層大小和方向出錯(cuò)的可能。由于FiberSIM軟件生成了平面展開(kāi)圖樣，排料軟件在機(jī)床上優(yōu)化組合各層的位置，極大地降低了廢料的產(chǎn)生。自動(dòng)化切割替代了手工切割，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約了大量的材料和成本。
利用FiberSIM軟件，生成激光投影系統(tǒng)（LPS）所需的三維層邊界、孔、拼接和標(biāo)記的數(shù)據(jù)。激光投影系統(tǒng)讀取這些數(shù)據(jù)，在模具上投影出層的邊界。技師們按照連續(xù)的激光投影線(xiàn)放置層。將FiberSIM軟件應(yīng)用到輔助進(jìn)氣道后，設(shè)計(jì)時(shí)間從300h減少到150h，制造時(shí)間從450h減少到200h。洛克西德·馬丁公司利用FiberSIM軟件不僅節(jié)約了大量的時(shí)間，而且將不合格樣品率降至最低，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

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