最新CATIAV5复合材料设计汇总.docx

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最新CATIAV5复合材料设计汇总

CATIAV5复合材料设计

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。

   2.1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ZonesGroup.1（区域组1）；在ZonesGroup.1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.根据分析的结果，定义强制过渡点（ITP）；重新进行边界状态分析，直到满足设计要求。

   6.根据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；

   得到蜂窝的外表面。

并将相关的轮廓线重新替换到外表面上。

   8.定义外表面区域组

   返回到复合材料设计，根据第7步定义好的外表面及轮廓定义ZonesGroup.2（区域组2），在ZonesGroup.2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8）

   9.分析边界状态

   如果不满足设计要求，则定义强制点（ITP），再重新分析直到满足设计要求。

   10.如果满足设计要求，由定义好的区域组生成铺层表，铺层表为Excel或Text格式；铺层表包含层压板相关信息：

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.根据设计要求，调整铺层表，调整铺层顺序，并且管理层压板信息直到满足设计要求。

   2.2复合材料详细设计阶段

   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法：

   第一种方法是将在初步设计阶段中定义好的铺层表或者区域组，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）

   第二种方法是根据初步设计阶段定义好的区域组，生成整张铺层和台阶边界（ETBS），并且生成带ETBS的铺层表文件（格式为Excel或者Text）。

（图12）设计工程师可根据台阶边界（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，直到满足设计要求。

   设计工程师也可以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。

   第三种方法是根据铺层轮廓，手工生成单一铺层，这种方法经常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ZonesGroup.1（区域组1，支撑面组），生成支撑面铺层（方法可以参考铺层的生成方法一或二）。

（图14）

   2.定义蜂窝芯子（图15）

   定义铺层组，命名为PliesGroup.2，在PliesGroup.2中选择蜂窝实体定义芯子（Core）。

   3.生成外表面铺层

   将ZonesGroup.2（区域组2，外表面组）生成外表面铺层（方法可以参考铺层的生成方法一或二）。

（图16）

   4.生成铺层后，进行复合材料分析。

   CPD提供两种分析方法：

   第一种方法可以对设计好的铺层、铺层组或铺层基准进行数字分析（图17），可以得到以下的分析结构：

 所用材料面积

 所用材料体积

 重量

 中心位置

 花费评估

   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。

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，这样设计工程师可以真实了解实际复合材料铺层情况（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否满足设计要求；如果不满足要求，重新进行复合材料设计，直到最终满足设计要求。

（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）

   2.3复合材料加工详细设计阶段

   在工程详细设计完成后，进入制造详细设计阶段。

复合材料设计（CPD）为用户提供以下功能：

（图23）

 制造模型定义

 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.定义制造模型（图24）

   制造工程师根据实际使用的需要，在原始模型上定义制造模型或者定义新的制造模型。

在CATIA结构树上，Stacking（工程）名字更换为：

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.定义毛坯尺寸（图26）

   制造工程师在定义好制造曲面上，定义两个边界：

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

然后根据制造边界MEOP定义复合材料零件的毛坯尺寸。

   4.可制造性评估和皱褶修剪

   制造工程师将定义好的制造模型，选择铺层、选择种子点、并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过程中是否会产生皱褶，并且将分析的结果保存在结构树上。

（图27）制造工程师根据评估的结果，在容易发生皱褶的地方，对铺层进行重新修剪。

（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，并且可以生成展开的铺层表（PlyBook），供制造商使用。

（图29）

2.4复合材料加工输出

   制造工程师将有效的制造信息输出，DassaultSystemes公司强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间，还有以下的复合材料制造方法：

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，能满足以上各个阶段的用户使用需求。

设计工程师在初步设计阶段，也能考虑到产品的可制造性。

比如在初步设计阶段，设计工程师通过的可制造性检查，及时地预测采用什么样的复合材料才能满足复杂的曲面特性；通过可视化的纤维方向，预测在制造过程可能出现的起皱或凸起；从而使设计工程师在设计阶段就及时地考虑到产品的可制造性。

强大的工程同步功能，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，在保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段，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，无须数据转换和重构；

•通过CATIA的DMU模块，在电子样机下进行协同设计；

•通过CATIA的NC模块，进行加工分析和验证；

•通过CATIA的知识工程模块，进行知识的捕获和重用，并建立企业标准的知识库，提高设计效率。

CATIAV5CPD可以满足不同的复合材料工艺设计要求，这些工艺包括：

•手糊成型工艺（Fabrichandlay-upprocess）

•铺带工艺（手工和自动）（Tapelayingprocess:

manualandautomatic）

•树脂传递成型（ResinTransferMoldingprocess）

•光纤铺放工艺（Fiberplacementprocess）

•缠绕成型工艺（Filamentwindingprocess）

   CATIAV5CPD能够将有效的制造信息输出，DS的合作伙伴为CATIAV5CPD提供了完整的生产制造系统解决方案：

LaserProjection，NestingandCuttingoffabrics,ResinTransferMoldingSimulation,TapeLayingDesignandProgramming,FibrePlacementAutomation。

   综上所述，CATIAV5CompositeDesign（CPD）复合材料设计为用户提供如下价值：

（1）紧密集成从概念设计到加工准备的全部流程，减少设计误差，提高设计、生产效率；

（2）与传统设计相比，减少50%的设计和更改时间；

   （3）支持复杂的结构件设计；

   （4）复合材料制造文档与设计数据紧密关联，使生产定义更方便、操作更简单；

   （5）与专业分析软件的集成，使设计结果更接近于真实，加工变形控制更精确，确保在第一时间制造出正确的产品。