CATIAV5复合材料设计1.docx

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CATIAV5复合材料设计1

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CATIAV5复合材料设计

介绍了航空复合材料的应用及CATIA软件复合材料设计解决方案。

包括复合材料本体的设计、DMU/CAE分析、可制造性分析等等。

本文以蜂窝夹层复合材料为例，介绍了CATIAV5对复合材料从设计、分析到制造的全过程。

引言

   随着航空工业的发展，复合材料的应用显得越来越重要。

复合材料的设计与传统金属结构设计不同，需要考虑诸多的因素，如：

多种的材料组合、材料的各向异性、材料的铺层顺序、产品的可制造性等。

CATIAV5为复合材料设计提供了一整套完整而专业的解决方案，包括复合材料本体的设计、DMU/CAE分析、可制造性分析等等。

本文以蜂窝夹层复合材料为例，介绍了CATIAV5对复合材料从设计、分析到制造的全过程。

一、蜂窝夹层复合材料简介

   蜂窝夹层结构主要由两层面板（蒙皮）中间夹以蜂窝芯材（夹芯）用胶粘剂胶接构成，具有比强度和比刚度高，抗疲劳性能好和耐腐蚀等优点，同时还具有许多特殊功能，如：

减震、消音、吸音、吸收和透射电磁波、隔热以及导流和变流等功能。

   因此随着航空工业的发展，蜂窝夹层结构在飞机结构上广泛应用，如：

前缘、后缘翼面，襟翼，扰流片，升降舵，方向舵，整流罩，地板，隔板等均为蜂窝夹层结构。

   蜂窝夹层结构件的构成包括：

（图1）

a）面板；b）边缘闭合件；c）蜂窝夹芯。

   航空蜂窝夹层结构多采用铝合金板或复合材料板材作面板，用铝、芳纶纸或玻璃布蜂窝作夹芯材料，用热固性胶粘剂通过加热加压的方法将二者粘接成为整体。

蜂窝夹层结构件可

   按不同的情况分为：

   1）按面板材料：

分为复合材料面板和金属面板；（本文针对复合材料面板）   2）按夹芯类型：

分为蜂窝夹层结构、泡沫塑料夹层结构和蜂窝/泡沫塑料混杂夹层结构；   3）按蜂窝材料：

分为金属蜂窝夹层结构和非金属蜂窝夹层结构。

   二、CATIAV5复合材料设计

   我们将复合材料的设计划分为：

初步设计阶段、详细设计阶段、加工详细设计阶段、加工输出阶段等四个阶段（图2）。

   CATIAV5Compositedesign（CPD）复合材料设计以流程为中心，能满足以上各个阶段的用户使用需求，为用户提供完整端到端的复合材料解决方案。

   复合材料初步设计阶段

   蜂窝夹层零件复合材料零件是由支撑面，蜂窝和外表面构成（见图1）；支撑面、外表面分别为铺层复合材料铺层，蜂窝为实体。

因此，在进行复合材料设计前，我们必须在CATIA曲面设计（GSD）和零件设计（PDG）中，准备相关的曲面、相关轮廓线和蜂窝实体，然后再进入到CompositeDesign中进行复合材料设计。

   在初步设计阶段，CATIA复合材料设计（CPD）为用户提供以下功能：

   1.建立复合材料库，根据用户的需求，定义复合材料属性，基本参数包括所属材料库、纤维铺设角度、复合材料有限元属性等。

（图3）

   2.选择定义好的复合材料库、复合材料属性（如纤维方向的命名和排序），并且设置CATIA复合材料环境参数。

   3.根据已经有的支撑面及轮廓定义Zones（区域组1）；在Zones内定义区域和过渡区，并且根据设计要求定义层压板相关属性。

（图4）

   4.分析边界状态（图5）

分析的内容包括：

    区域之间的边界分析，分析结果如下：

   黄色表示区域外部轮廓。

   红色表示两个区域的连接线。

    过渡区域之间的边界分析，分析结果如下：

   绿色表示区域外轮廓线。

   蓝色表示区域和过渡区域的边界。

   蓝绿色表示两个过渡区的边界。

   5.依照分析的结果，概念强制过渡点（ITP）；从头进行边界状态分析，直到知足设计要求。

   6.依照区域组生成顶层表面（图6），该顶层表面为外表面的参考曲面。

   7.曲面修剪（图7）

   切换到曲面设计（GSD），通过Trim（修剪）的功能，将顶层表面与蜂窝表面进行修剪；

   取得蜂窝的外表面。

并将相关的轮廓线从头替换到外表面上。

   8.概念外表面区域组

   返回到复合材料设计，依照第7步概念好的外表面及轮廓概念Zones（区域组2），在内概念区域和过渡区，而且依照设计要求概念层压板相关属性。

（图8）

   9.分析边界状态

   若是不知足设计要求，那么概念强制点（ITP），再从头分析直到知足设计要求。

   10.若是知足设计要求，由概念好的区域组生成铺层表，铺层表为Excel或Text格式；铺层表包括层压板相关信息：

铺层顺序、铺层、材料、纤维铺设方向、几何基准、铺层所在区域。

（图9）

   11.依照设计要求，调整铺层表，调整铺层顺序，而且治理层压板信息直到知足设计要求。

   复合材料详细设计时期

   初步设计完成后，进行工程详细设计，CATIA复合材料设计（CPD）为用户提供以下功能：

（图10）

铺层生成 复合材料分析 爆破显示 工程制图定义

   CPD中提供三种铺层的生成方式：

   第一种方式是将在初步设计时期中概念好的铺层表或区域组，导入到CPD中直接生成铺层，过渡区铺层的台阶系统将自动生成。

（图11）

   第二种方式是依照初步设计时期概念好的区域组，生成整张铺层和台阶边界（ETBS），而且生成带ETBS的铺层表文件（格式为Excel或Text）。

（图12）设计工程师可依照台阶边界（ETBS）及铺层文件提供的信息，手工的设计修剪铺层和铺层台阶，直到知足设计要求。

   设计工程师也能够调整铺层文件中边界台阶（ETBS）参数和方向，然后再将铺层文件导入到CPD中，生成铺层及铺层台阶。

   第三种方式是依照铺层轮廓，手工生成单一铺层，这种方式常经常使用于夹层复合材料蜂窝夹层单一外表面铺层。

（图13）

   1.生成支撑表面铺层

   将Zones（区域组1，支撑面组），生成支撑面铺层（方式能够参考铺层的生成方式一或二）。

（图14）

   2.概念蜂窝芯子（图15）

   概念铺层组，命名为Plies，在Plies当选择蜂窝实体概念芯子（Core）。

   3.生成外表面铺层

   将Zones（区域组2，外表面组）生成外表面铺层（方式能够参考铺层的生成方式一或二）。

（图16）

   4.生成铺层后，进行复合材料分析。

   CPD提供两种分析方式：

   第一种方式能够对设计好的铺层、铺层组或铺层基准进行数字分析（图17），能够取得以下的分析结构：

 所用材料面积 所用材料体积 重量 中心位置 花费评估

   而且分析的结果能够保留在CATIA结构树上，也能够将分析结果输出。

第二种分析方法是取样点分析CoreSamplingAnalysis，只需要选择取样点就可以得到取样点处层压板的特性（图18）。

可以提取以下信息：

 取样点处铺层的数量 取样点处铺层总厚度 取样点处层压板属性（包括顺序、铺层、夹层件、材料、纤维方向、局部坐标）并且分析的结果可以保存在CATIA结构树上，也可以将分析结果输出。

   5.在铺层生成和分析完成后，通过铺层爆破（PlyExploder）和电子样机空间分析，进行铺层真实截面显示。

（图19）

   6.复合材料设计提供可视化铺层实体生成工具，将铺层生成实体，如此设计工程师能够真实了解实际复合材料铺层情形（图20）；还提供铺层内模曲面（IML：

InnerMoldLine）工具，生成相关复合材料模胎曲面。

   7.设计工程师不需要进行数据转换，将复合材料详细设计的结果，直接在CATIACAE中进行网格划分和有限元分析，检查分析设计结果是不是知足设计要求；若是不知足要求，从头进行复合材料设计，直到最终知足设计要求。

（图21）

   8.设计工程师在复合材料详细设计完成后，将设计的产品生成二维工程图。

工程图中可包括铺层实体、铺层截面、展开视图及其相关标注、铺层表等。

（图22）

   复合材料加工详细设计时期

   在工程详细设计完成后，进入制造详细设计时期。

复合材料设计（CPD）为用户提供以下功能：

（图23）

 制造模型概念 制造曲面转换 毛坯尺寸定义 可制造性分析 皱褶裁剪 平面样图展开

具体的步骤如下：

   1.概念制造模型（图24）

   制造工程师依如实际利用的需要，在原始模型上概念制造模型或概念新的制造模型。

在CATIA结构树上，Stacking（工程）名字改换为：

Stacking（制造）

  2.制造曲面转换

   考虑到模具曲面和复合材料回弹因素等加工因素，制造工程师将原有的设计曲面转换为制造曲面。

（图25）

   3.概念毛坯尺寸（图26）

   制造工程师在概念好制造曲面上，概念两个边界：

工程边界EEOP（TheEngineeringEdgeOfPart）和制造边界MEOP（TheManufacturingEdgeOfPart）。

然后依照制造边界MEOP概念复合材料零件的毛坯尺寸。

   4.可制造性评估和皱褶修剪

   制造工程师将概念好的制造模型，选择铺层、选择种子点、而且指定纤维的径向和纬向的半径，进行可制造性评估，分析纤维铺层在铺设进程中是不是会产生皱褶，而且将分析的结果保留在结构树上。

（图27）制造工程师依照评估的结果，在容易发生皱褶的地址，对铺层进行从头修剪。

（图28）

   5.平面样图展开

   制造工程师将每一个铺层在平面上展开，而且能够生成展开的铺层表（PlyBook），供制造商利用。

（图29）

复合材料加工输出

   制造工程师将有效的制造信息输出，DassaultSystemes公司壮大的合作伙伴能够确保所有复合材料零件的制造。

（图30）制造信息输出的外部文件为DXF格式的2D展开图和IGES形式的3D铺层和2D展开图。

（图31）DS的合作伙伴为CATIAV5CPD提供了完整的生产制造系统；如LaserProjection提高生产效率和缩短铺层时刻，还有以下的复合材料制造方式：

NestingandCuttingoffabrics,ResinTransferMoldingSimulation,TapeLayingDesignandProgramming,FibrePlacementAutomation。

   三、CATIAV5复合材料设计的价值

   CATIAV5Compositedesign（CPD）复合材料设计以流程为中心，能知足以上各个时期的用户利用需求。

设计工程师在初步设计时期，也能考虑到产品的可制造性。

比如在初步设计时期，设计工程师通过的可制造性检查，及时地预测采纳什么样的复合材料才能知足复杂的曲面特性；通过可视化的纤维方向，预测在制造进程可能显现的起皱或凸起；从而使设计工程师在设计时期就及时地考虑到产品的可制造性。

壮大的工程同步功能，能够使工程设计与制造同步，使制造工程师更紧密地与设计工程师合作。

   CATIAV5CPD与其它的V5产品相结合，在维持数据格式唯一性的前提下进行多学科的协同设计，从而为复合材料设计提供了全面的设计手腕，加速产品的创新。

•通过CATIA的有限元分析模块，如GPS，FMS对复合材料零件进行有限元分析，不必数据转换和重构；•通过CATIA的DMU模块，在电子样机下进行协同设计；•通过C