低成本復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)已經(jīng)成為世界通用飛機(jī)制造商必須要面對(duì)和解決的問題之一。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)可以提高產(chǎn)品的研制生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。該技術(shù)克服了原有復(fù)合材料制造過程中主要依賴于模線-樣板而導(dǎo)致的鋪層和層間的定位不準(zhǔn)、材料裕度過大導(dǎo)致的浪費(fèi)。高性能連續(xù)纖維復(fù)合材料為生產(chǎn)輕質(zhì)高性能的產(chǎn)品提供了巨大的機(jī)會(huì)，但是高的材料成本、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的復(fù)雜性在很大程度上抵消了復(fù)合材料的使用效益。為了降低成本，提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率，縮短復(fù)合材料產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，減少材料浪費(fèi)，降低工具損耗及生產(chǎn)時(shí)間，美國VISTAGY公司在CATIA[2]軟件平臺(tái)上開發(fā)了用于復(fù)合材料制造和分析的軟件FiberSIM。

FiberSIM是集成于CAD系統(tǒng)中的一個(gè)軟件工具包，它可以使CAD系統(tǒng)成為高性能的設(shè)計(jì)和制造復(fù)合材料零件的軟件工具。FiberSIM軟件獨(dú)有的復(fù)合材料仿真技術(shù)，能夠預(yù)測(cè)復(fù)合材料如何與復(fù)雜的表面貼合，并把貼合的結(jié)果形象地表示出來。FiberSIM軟件支持整個(gè)復(fù)合材料的工程過程，可以使設(shè)計(jì)人員同時(shí)在零件幾何、材料、結(jié)構(gòu)要求以及工藝過程約束之間進(jìn)行權(quán)衡。設(shè)計(jì)人員使用FiberSIM軟件能快速可視化鋪層形狀和纖維方向，在設(shè)計(jì)階段即發(fā)現(xiàn)制造問題，并采取相應(yīng)的糾正措施；從初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)直到制造車間，最終得到復(fù)合材料零件。

研究?jī)?nèi)容

1鋪層分片、對(duì)接區(qū)偏移量的研究

預(yù)浸料有一定的幅寬限制，大型復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件通過仿真分析，如果鋪層超出了材料的幅寬限制則需要在適當(dāng)?shù)奈恢脤亴舆M(jìn)行分割，分開的鋪層片之間需要進(jìn)行對(duì)接或搭接，偏移量的大小要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2復(fù)雜曲面下的鋪層分析及鋪層展開設(shè)計(jì)研究

對(duì)于復(fù)雜曲面上的鋪層，進(jìn)行二維展開時(shí)，既要保證鋪層能夠展開，還要保證展開的鋪層鋪到與3D模型上邊界一致，往往存在較大的困難。只有當(dāng)制造可行性分析表明纖維變形在可接受范圍之內(nèi)才可以進(jìn)行鋪層展開。鋪層展開的運(yùn)算法則有能力繪制從3D鋪層模型到鋪層展開的曲線，就是可以繪制鋪層展開的工裝定位孔（工裝十字線），也可繪制切割線、參考線和鋪層孔。

復(fù)合曲線確定極準(zhǔn)確的鋪層展開是不可能的，可以在制造世界地圖的問題上找到解釋。

開發(fā)繪制地球平面圖的過程中產(chǎn)生了一些相當(dāng)好的方法準(zhǔn)確地繪制了曲面的面積和陸地塊的形狀。這些條件互相獨(dú)立，根本不可能既確保形狀又保證面積，除非加許多剪口。如果一個(gè)世界地圖有足夠多的剪口，那么理論上這個(gè)地圖在形狀和面積上相當(dāng)準(zhǔn)確；然而，一般人則難以辨認(rèn)。在復(fù)合材料鋪層展開問題上與繪制地圖一樣，復(fù)合材料鋪層展開是將每一自由曲面繪成平面圖。如果在一個(gè)鋪層上應(yīng)用太多剪口，則鋪層將很難鋪放，并影響到零件的整體性。

（1）鋪放起始點(diǎn)的優(yōu)化。

如先前所提到的，制造可行性分析網(wǎng)格表明在鋪放起始點(diǎn)周圍變形極小。向前移動(dòng)起始點(diǎn)變形的面積減小甚至消除變形。在曲面有較大曲率的情況下，起始點(diǎn)偏移指向鋪層的一端代表那里的形狀，然后應(yīng)用其他的技術(shù)減小鋪層的變形。

（2）鋪層拼接。

拼接就是將鋪層切開的兩條邊界對(duì)接在一起。如果兩條邊界是外部的，則鋪層被切成兩塊。如果一條邊界是外部的，另一條是內(nèi)部的，鋪層保持一片。在FiberSIM計(jì)算中實(shí)現(xiàn)上述情況是迫使網(wǎng)格在對(duì)接周圍計(jì)算，因此在特定位置打斷了網(wǎng)格的連續(xù)約束。結(jié)果在鋪層上有很小的纖維變形，但是纖維在拼接邊界不再相切。

（3）鋪層剪口。

剪口與拼接相似，除了剪開僅包括一條邊界外，還在鋪放起始點(diǎn)與變形區(qū)域之間打斷連續(xù)纖維。剪口位置位于鋪放起始點(diǎn)和變形區(qū)域之間，也可能僅封閉在變形區(qū)域。在拼接處，纖維在剪口不連續(xù)。

（4）標(biāo)記長(zhǎng)度分析。

這是一項(xiàng)用于測(cè)量鋪層展開準(zhǔn)確性的技術(shù)。它包括在展開的鋪層中需要測(cè)量的兩個(gè)特征間定義標(biāo)記（曲線），在典型的鋪放起始點(diǎn)和工裝孔位置。定義了鋪層展開，標(biāo)記將自動(dòng)地在展開的鋪層上繪制。在SELPLY模塊中MLA功能確定標(biāo)記，測(cè)量與3D和2D間長(zhǎng)度的差異。長(zhǎng)度上允許的差異與所選材料有關(guān)，體現(xiàn)在鋪層大小的功能和有多少材料可以伸展方面。在這種情況下，定義最大允許差值為1.27cm。

（5）分開和連接。

分開和連接技術(shù)是最后采用的方法。事實(shí)上鋪層展開在接近鋪放起始點(diǎn)處最準(zhǔn)確。從本質(zhì)上看，該技術(shù)是在一個(gè)展開的鋪層上設(shè)置多個(gè)鋪放起始點(diǎn)，即把3D鋪層切成幾片。通過分析標(biāo)記上的長(zhǎng)度確定鋪層切開的位置，達(dá)到預(yù)期的切開區(qū)域。切開點(diǎn)位于3D和2D間的距離開始有較明顯偏離的地方。一但定義了切開點(diǎn)，鋪層邊界即被改變，制造分析網(wǎng)格將在主體部分定義。網(wǎng)格線之一伸入到切開區(qū)域，投影到鋪放曲面上，這些曲線在切開區(qū)域變成纖維方向曲線，在主體和切開的片之間保持纖維連續(xù)。鋪放起始點(diǎn)被設(shè)置在靠近切開邊界的曲線上。在切開線兩片之間的公共位置生成最佳化的形狀。標(biāo)記穿過切開線，鋪層展開將計(jì)算每一區(qū)域，不同的鋪層展開利用標(biāo)記在平面中再結(jié)合到一起。

3剪口位置確定技術(shù)

對(duì)于較復(fù)雜的零件，仿真后多出現(xiàn)許多紅色區(qū)域，不能滿足設(shè)計(jì)和制造的要求，影響零件的質(zhì)量。如果在一個(gè)鋪層上應(yīng)用太多剪口，則鋪層將很難鋪放，并影響到零件的整體性。剪口與拼接相似，除了剪開僅包括一條邊界，在鋪放起始點(diǎn)與變形區(qū)域之間打斷連續(xù)纖維。剪口位置位于鋪放起始點(diǎn)和變形區(qū)域之間，也可能僅封閉在變形區(qū)域。拼接處，纖維在剪口位置不連續(xù)，正確的設(shè)計(jì)剪口位置可以大大減少或消除紅色區(qū)域。演示驗(yàn)證件的設(shè)計(jì)制造一體化設(shè)計(jì)演示驗(yàn)證件通過對(duì)通用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造，應(yīng)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件FiberSIM與自動(dòng)下料系統(tǒng)和激光鋪層定位系統(tǒng)等的集成，打通了復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)、工藝、制造的數(shù)字化生產(chǎn)線，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造方法相比有以下優(yōu)勢(shì)：（1）從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的制造整個(gè)周期，由原來的設(shè)計(jì)完成移交工藝進(jìn)行制造準(zhǔn)備,轉(zhuǎn)變成由FiberSIM軟件介入零件設(shè)計(jì)后的分析優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的目的。（2）通過使用FiberSIM軟件可以對(duì)原材料的采購、制造成本進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省用材的目的。（3）通過FiberSIM軟件的前期分析優(yōu)化、激光投影儀和自動(dòng)下料機(jī)的配合使用，進(jìn)而達(dá)到縮短整個(gè)產(chǎn)品的制造周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減少產(chǎn)品報(bào)廢率的目的。目前，通用飛機(jī)中越來越多的采用復(fù)合材料替代金屬材料，而復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)的誕生大大提升了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、制造質(zhì)量、制造一次性成功的可能性，縮短了制造周期，最大化地降低了產(chǎn)品的制造成本。