略論飛機復合材料壁板的設計方案

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1FiberSIM輔助壁板設計

需要總體、強度、材料和工藝等部門提供產品基準、材料信息、結構強度要求等相關設計輸入條件；設計部門根據輸入條件在CATIA中創建參考要素以支持FiberSMI的設計；在FiberSIM中創建復合材料零件特征；利用FiberSIM工具生成工藝所需要素；在CATIA中完成三維標注；進行評審，如不滿足要求，則需重復上述步驟。本文將就FiberSIM輔助機身壁板設計過程中關鍵設計點展開論述，分析相關參數對復合材料蒙皮制造仿真結果影響。

2坐標系定義

假設飛機的順航向為X軸，翼展方向為Y軸，高度方向為Z軸。壁板的蒙皮局部參考坐標系應位于曲率較小的區域，x軸選擇蒙皮的長方向，y軸選擇蒙皮的短方向，以保證模擬鋪層鋪貼仿真時，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，所示給出了各個區域的鋪層順序、鋪層角度、蒲城數量等信息。蒙皮是基于區域設計的，生成鋪層前需根據設計輸入條件對蒙皮進行區域劃分，鋪層特性相同部分將劃分為同一區域。

4過渡區域定義

可以定義厚度不同的相鄰區域邊界的遞減或交錯樣式。根據定義的區域過渡信息生成鋪層的邊界和排序，因此不需要事先在CATIA中創建各個鋪層的邊界。此功能可以快速準確定義區域間的鋪層過渡，避免手工逐層定義鋪層邊界，節省設計工時和成本。

5蒙皮仿真分析

鋪層纖維偏移角度的限制在鋪層仿真時，還需定義鋪層纖維角度偏移警告值和限制值。通常該限制值由強度部門根據部件的關鍵等級、載荷情況和材料屬性進行定義。如針對碳纖維織物CYCOM985/HTA強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°。由此看來強度給出的數值十分嚴格，這是源于結構的安全性考慮。纖維間距因子（Fiberspacingfactor）在鋪層仿真時，要設置纖維間距因子的數值，數值范圍為0~1。數值過大將不能反應真實鋪貼情況，數值過小仿真運算時間過長，效率低。中給出不同纖維間距因子仿真結果對比。中區域為纖維偏移距離超過纖維角度偏移限制值，區域表示纖維角度偏移距離介于警告值和限制值之間。區域均表示纖維角度偏移距離警告值以內。實際證明，纖維角度間距因子取0.25時，既符合真實鋪貼情況，運算時間又可接收。鋪層原點的拾取鋪層仿真分析時需要定義鋪層鋪貼原點，原點位置的選取對分析結果有很大的影響。所示出的是蒙皮某鋪層仿真分析原點不同時，造成的不同結果。從中可以看出，原點取在壁板一側時，壁板另一側纖維變形過大、區域較大，而將原點取在壁板中間區域時，纖維變形區域則較小。因此進行鋪層仿真分析時，需調整鋪層原點位置盡量使區域最小化。設計過程中如果發現由于零件形狀復雜，沒有辦法消除仿真時出現的堆積和褶皺等警告區域，可按需設計切口和拼接。FiberSIM中只需定義第一個鋪層的切口和拼接，后續鋪層可按定義的交錯規則自動生成。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更新，這也使設計得到簡化。鋪層裁剪和搭接碳纖維織物原材料寬度通常為定值，當蒙皮尺寸較大時，蒙皮鋪層需根據實際情況進行裁剪。裁剪后的子鋪層之間需進行搭接處理。FIBERSIM可以進行鋪層裁剪仿真分析，并生成搭接區。為保證纖維的連續性，搭接區應垂直于纖維方向，搭接量為0.75~1.00in。

6工藝要素生成

自動生成鋪層鋪貼面可以準確直觀地模擬出每個鋪層真實鋪貼情況，為制造提供直接的工裝設計參考面和各個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據，并可驅動激光投影儀、自動下料機、自動鋪帶（絲）機等設備。

7結束語

能輸出零件重量屬性數據，有效支持重量控制，達到結構減重目標。提高產品工藝性。FiberSIM可以生成復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，可滿足工藝相關要求。降低設計和制造成本。在設計初期發現并解決設計和制造問題。通過FiberSIM仿真分析可以提早發現、提早解復合材料在后續制造過程中可能出現的工藝問題，降低制造風險、節約成本。

作者：張俊鼎陳斌單位：中航沈飛民用飛機有限責任公司