直升机复合材料构件数字化生产线技术研究.docx

直升机复合材料构件数字化生产线技术研究.docx

《直升机复合材料构件数字化生产线技术研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直升机复合材料构件数字化生产线技术研究.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

直升机复合材料构件数字化生产线技术研究

直升机复合材料构件数字化生产线技术研究

李薇刘秀芝杨楠楠矮小伟

哈尔滨飞机工业集团

摘要:

本文研讨了飞机复合资料构件数字化消费线的体系结构，指出打通数字化消费线的关键在于完成数字化设计中心和数字化制造中心外部各环节数据及之间数据的顺畅活动。

引见了飞机复合资料构件的数字化产品定义、数字化工装设计、数字化工艺设计、数字化制造和消费组织管理以及打通复合资料构件数字化消费线数据流等方面所做的任务和实施效果。

关键词:

直升机　复合资料　数字化　消费线　设计制造

1　概述

先进复合资料具有比强度和比刚度高、功用可设计、抗疲劳、耐腐蚀功用好和易于全体成形等诸多优点，将其用于航空航天结构上，可比惯例的金属结构减重25%～30%，并可清楚改善其气动弹性特性，提高飞行功用，这是其它资料无法或难以到达的。

随着计算机技术和数控技术的不时开展，各种各样的软件和数控设备相继出现，使复合资料构件研制进程以数字量传递成为能够,为复合资料构件完成数字化制造发明了良好的条件。

另一方面，在国际飞机制造业中，复合资料构件的设计制造大多仍沿用传统的模拟量尺寸传递体系，数字化设计制造技术虽失掉了实践运用，并取得了一定的效益，但基本处于孤立的形状，尚未完成复合资料构件从设计、工艺、工装、制造到检测整个进程中的信息共享，没有打通整个数字化设计制造环节，致使现有的数字化设计制造技术不能充沛发扬其应有的作用。

美国波音公司在波音777型飞机型号研制中采用数字化技术，使研制周期延长50%，出错返工率增加75%，本钱降低25%，曾经成为数字化设计制造技术在飞机研制中运用的标志和里程碑。

在波音787飞机项目中采用FiberSIM软件停止复合资料构件产品的数字化设计，并将设计数据向全球的协作同伴停止发放，保证了复合资料构件数据的独一性和准确性。

飞机复合资料构件数字化消费线技术，重在将复合资料构件设计制造技术与数字化技术相结合，完成复合资料构件设计与制造各环节数字化、各环节之间的数据流利通和复合资料构件在并行任务形式下的设计、工艺、制造、检测、装配全进程的集成。

2　飞机复合资料构件数字化消费线总方案

飞机复合资料构件数字化消费线总方案如图1所示。

本工程以计算机网络环境和并行任务形式为基础，在企业工程数据管理系统支撑下，由两个大的环节构成——数字化设计中心和数字化制造中心。

其中数字化设计中心主要完成复合资料构件的相关设计义务，包括构件的数字化定义、铺层设计与排样、铺放与缠绕轨迹设计、CAE剖析与仿真、工装设计、工艺设计与制造进程仿真等，数字化制造中心主要完成毛料剪裁〔预浸料和蜂窝〕、激光铺层定位、自动铺放、自动铺丝与缠绕、固化成型、切边钻孔、部件装配、质量检测等制造义务。

图1飞机复合资料构件数字化消费线总方案

从图1中可以看出，构建复合资料构件数字化消费线，除完成两大环节的数字化外，还必需保证各环节之间数据流利通。

基于数字化消费线总方案，围绕复合资料构件数字化设计、数字化工艺设计、数字化工装设计、数字化制造、数字化检测、并行任务管理、任务流程管理和质量控制等展开研讨，并将精益制造实际和思想融合到整个消费体系中。

3　复合资料构件数字化消费线技术研讨

3.1复合资料构件数字化消费线体系

飞机复合资料构件数字化消费线体系研讨主要围绕复合资料构件数字化产品设计、数字化工艺设计、数字化工装设计、数字化制造、数字化检测、并行任务管理、任务流程管理、质量控制等展开，并将精益制造实际和思想融合到整个消费体系中。

（1）复合资料构件数字化消费线构成

复合资料构件消费线平面布置图如图2所示：

图2复合资料消费线平面布置图

从图2中我们可以看到：

复合资料构件消费线由9个区域组成，即资料存储区、预浸料下料区、蜂窝下料区、铺层区、固化区、复材机加区、复材检测区、复材部件装配区、喷漆区。

总面积达5万余平方米，在亚洲是最大的。

在企业近年的技术改造项目实施后每个区域都可完成数字化。

〔2〕复合资料构件消费线流程

复合资料构件数字化消费线典型流程如图3所示：

图3数字化消费线典型流程

3.2复合资料构件数字化设计技术

复合资料构件的最清楚工艺特点是在完成资料制造的同时完成产品的制造。

因此，复合资料构件的数字化定义与其它资料零件的定义方法有清楚的区别，其数据不只包括构件的几何信息、铺层信息，还要包括相关的资料制造信息等非几何数据。

3.2.1FiberSIM处置方案

FiberSIM可以完选集成于用户已有的CAD系统中，使CAD系统成为高功用的设计/制造复合资料构件的软件工具。

该软件可以提供专业的工程设计环境，高效地处置复合资料及其结构的复杂性效果，可以捕捉CAD系统中复合资料构件的完整定义，管理复合资料数据，在项目外部共享复合资料构件的定义。

FiberSIM复合资料工程设计环境见图4。

图4FiberSIM复合资料工程设计环境

FiberSIM软件独有的铺层仿真技术，可以预测复合资料如何与复杂的外表贴合，支持整个复合资料的工程进程，该软件使工程师同时在构件几何、资料、结构要求以及工艺进程约束之间停止权衡，运用FiberSIM软件，工程师能快速可视化铺层外形和纤维方向，在设计阶段即发现制造效果，并采取相应的纠正措施，完成DFM。

从初步设计、详细设计直至制造车间，设计师借助该软件很容易创立和转换设计、工程图以及相关的数据，并使零件数据在FiberSIM软件、设计、制造以及商业运用之间停止交流和传递。

FiberSIM可选模块有：

剖析接口模块、文档生成模块、平面图样输入模块、激光投影模块、纤维铺放接口等，以构件定义信息为源头，向强度剖析、工艺设计、工装设计、制造进程仿真和相应的制造设备传递复合资料构件的几何信息、资料信息、铺层信息等。

3.2.2复合资料构件数字化定义

在设计阶段的产品定义进程中是以工程数据集为中心来组织数据，是支持产品数字化设计、制造全进程的基础，是制造、检验的重要依据。

一个数据集是包括产品的几何信息、绘图数据以及相关信息的一个或几个CAD模型，普通同时存在三维模型和二维模型，二者区分在三维空间任务形式和二维绘图任务形式中树立，但它们不是完全独立的，二者之间存在着关联关系，二维视图中的元素由空间的实体或曲面引出，对原空间实体或曲面的任何修正都会自动反映在二维视图上。

〔1〕复合资料构件的三维模型定义

由于其定义方法的特殊性和复杂性，复合资料构件的最终外形是由许多铺放在模具外表的铺层固化构成的，每个零件的不同区域厚度会有所不同，而且是逐突变化的。

座舱罩顶棚铺层定义如图5所示，经过从设定的铺层信息直接生成铺层外表和三维实体，这些外表可用于制造数字实物模型，生成零件铺叠外表，发生配套工装的内外表和中间铺层外表等。

座舱罩顶棚实体模型如图6所示，三维实体用于定义构件的外形以及定位特征〔如成形面的参考曲面，零件模型的定位点等几何信息〕，以便在重量和重心剖析、数字化预装配、工装设计、运动部件的模拟运动剖析等进程中运用。

因此，复合资料构件三维实体建模的中心效果是表现资料制造信息的铺层设计。

铺层设计中有两个重用的概念：

铺层和铺层集，并且铺层集和铺层都有编号。

图5座舱罩顶棚铺层定义图6座舱罩顶棚实体模型

〔2〕复合资料构件的二维模型定义

在数据集中，三维模型是最主要的数据，但二维图纸模型也是必不可少的，普通由三维模型生成。

在模型的二维视图中，需求完整的定义出复合资料构件的结构方式和几何外形尺寸等信息，在目前消费实践中，二维图纸依然是停止复合资料构件制造加工、检验、质量保证的重要依据，也是供应商评价和招标的重要依据。

在复合资料构件的二维图纸上，需求有剖面表示图、铺层图、铺层标注、铺设取向标注以及铺层表等外容，铺层表用来对照零件的铺层、资料、取向等信息，如图7所示。

图7复合资料构件二维图纸及铺层表的缩小图

3.2.3复合资料构件工艺设计

基于CAPPFrameWork和ORACLE，结合企业复合资料工艺设计及管理的特点，开发了具有企业特点的复合资料构件快速工艺设计系统。

系统主要功用模块包括：

产品结构管理、任务义务分配、工艺设计审批、工艺知识管理、资料定额信息管理、工艺文档管理、用户角色管理、系统配置工具等。

3.2.4复合资料构件工装快速设计

工装的数字化设计是完成复合资料构件数字化消费线技术的关键环节之一，主要内容包括规范件库、典型工装结构库的树立，快速装配技术研讨和复合资料工装快速设计系统开发等。

在项目实施中，应用CATIA的建模功用树立组成组件的子零件，然后装配生成组件，组件为Product方式。

这种处置方案可在CATIA交互环境下运转，运用规范件库时，提供三维预览窗口，并且预览模型能表示各主要参数，从而可以直观地了解各参数的意义，进而可以脱离手册的限制，可以在CATIA以后装配模型内生成所选组件的实体模型。

基于CATIA二次开发了规范件批装配模块，完成了基于装配特征的规范件的自动装配。

图8所示为组件预览界面。

3.3复合资料构件数字化制造技术

复合资料构件的数字化制造技术主要是结合我公司的软硬件的实践状况，包括复合资料自动下料、激光投影等各方面技术。

3.3.1预浸料数控下料

复合资料构件消费进程中，预浸料下料是一个费时、费力、繁琐的工序，我公司采用专门的数控切割设备－自动剪裁机停止预浸料的平面切割，完成预浸料的自动下料。

运用FiberSIM软件设计的复合资料构件的每一三维铺层信息展开为二维铺层展开数据后，经铺层切割数据转换接口生成预浸料排样数据，直接输入自动剪裁机控制软件指点资料自动切割。

自动剪裁的预浸料消弭了手工下料样板，每一铺层的外形和纤维方向愈加准确，并且都印有铺层编号，增加了铺放进程中的错误，其下料比手工下料效率可提高3倍以上，浪费原资料20%左右，此外，排样是优化资料应用率的主要要素。

图9是座舱罩顶棚的排样下料数据。

图8组件预览界面图9下料数据

3.3.2激光投影系统的运用

复合资料公用设计/制造软件FiberSIM基于构件的CAD三维设计数据生成激光投影数据输入到激光投影系统中，经过特殊反光镜，控制激光束将构件铺层外形轮廓线上的点依次投影到模具外表，由于点投影的更迭移动速度极快〔每秒300m以上〕，在操作者眼中，模具或零件外表会生成相应的边界轮廓线，操作者可依据该轮廓线停止有关的定位操作〔如定位铺叠等〕，从而完成各铺层的准确定位，免除了传统的铺叠样板。

图10是基于构件的三维实体模型生成激光投影数据的进程。

图10激光投影数据的生成

3.4复合资料数字化消费线集成技术

复合资料构件数字化消费线以片面采用数字化技术为主要标志，采用计算机定义、描画、管理和运用复合资料构件开发进程中所包括的数据以及这些数据之间的相互关联。

复合资料构件数字化设计和数字化制造是复合资料构件数字化消费线的主要组成局部，两局部经过设计与制造之间的数据传递、转换完成数据的集成。

3.4.1数字化消费线数据传递关系

复合资料构件数字化消费线与传统消费方式的清楚区别在于采用数字量方式对产品停止片面描画及数据传递，完成复合资料设计、资料、工艺的一体化。

消费线数据流主要包括设计软件与剖析软件之间的数据传递，产品设计与工装设计间的数据传递，设计与工艺之间的数据传递，设计与制造系统的数据传递等。

图11是复合资料构件数字化消费线数据传递关系。

图11复合资料构件数字化消费线数据传递关系

（1）设计软件与剖析软件之间的数据传递

典型的复合资料构件设计首先基于预期的载荷确定设计要求，结合剖析提出的设计要求以及其它运用环境等要求初步选定资料和成形工艺。

初步选定资料和成形工艺后，经过FiberSIM软件与剖析软件之间的接口将几何模型和粗略的铺层定义数据输入有限元剖析软件停止结构计算以及结构优化，并将区域划分以及各区域的详细铺层定义数据反应回复合资料工程环境停止铺层详细设计，设计终了再将铺层详细定义数据包括纤维真实走向和其它细节等输入剖析软件包停止设计验证，如此重复修正、验证直至到达最优设计，剖析是对设计结果的验证，设计满足剖析提出的要求，设计人员与剖析人员之间组成了一个闭环。

（2〕设计与工艺之间的数据传递

工艺设计是衔接产品设计和制造的桥梁，是产品从数字化概念定义走向实物的必不可少的信息转换环节。

工艺部门接纳设计部门发放的产品设计数据包括二维图纸、技术文件等，包括了产品的项目信息，构型信息，零组件的几何、资料、铺层信息。

工艺人员对产品的设计结构停止分解和转换，变成可用于指点消费的工艺结构。

与此同时，对每一个要消费的零组件设计其加工工艺，设计或选择其工装夹具，指定原资料和计算资料定额，统计规范件、外购件等非消费零件的需求，编排工时定额等。

工艺部门除了发生用于指点消费的工艺规程数据文件外，还要停止资料定额等各种统计汇总，并将数据传向推销、库存、调度等消费预备和管理部门，以保证消费的顺利停止。

〔3〕设计与工装之间的数据传递

设计传递到工装系统的数据包括：

二维图纸、三维模型、技术文档等。

（4〕设计与制造系统的数据传递

设计传递到制造系统的数据包括铺层展开图、下料数据、激光投影数据、技术文档、纤维铺放数据等。

铺层展开图：

铺层设计完成后，运用FiberSIM软件曲面展开技术，将构件的三维实体模型逐层展开生成铺层的展开数据，将每一个曲面铺层展开为一个对应的二维平面图形，用以输入到排样系统和自动下料机停止自动排料和自动剪裁。

激光投影文件：

运用FiberSIM软件，基于构件的CAD三维设计数据生成激光投影数据，输入到激光投影系统中停止铺层定位,在成形模具上停止激光投影。

3.4.2典型运用系统集成

对应复合资料构件数字化消费线中的数据活动关系〔如图12所示〕，需求集成的运用系统包括设计系统外部的集成、设计系统与剖析系统的集成、设计系统与工艺设计系统的集成、设计系统与工装设计系统的集成、以及设计系统与制造系统的集成等。

图12数字化消费线中的数据流集成

（1〕设计系统外部的集成

复合资料构件数字化设计为后续优化、剖析、制造等环节提供数据的源头，是构建复合资料构件数字化消费线的基础。

除常用的CAD外，复合资料公用设计/制造软件是实施复合资料构件数字化设计不可缺少的工具。

目前世界抢先的复合资料公用设计/制造软件有CATIACPD模块和VISTAGY公司开发的FiberSIM软件。

前者与CATIA系统片面集成，后者亦能完选集成到CATIA、Pro/E、以及UG等CAD软件中。

复合资料公用设计/制造软件与已有CAD系统的集成提供了高效的复合资料数字化设计/制造工具。

（2〕设计系统与剖析系统的集成

复合资料构件数字化设计/制造软件FiberSIM提供数据接口输入停止有限元剖析所必需的数据，保证了设

计和剖析共享同一CAD主模型。

〔3〕设计系统与工艺快速设计系统的集成

设计系统与工艺快速设计系统之间经过数据接口完成复合资料构件二维图纸、技术文件、BOM等信息的集成与共享。

（4）设计系统与工装设计系统的集成

在并行设计任务环境中，产品设计与工装设计在同一平台上完成无缝集成，工装设计工程师直接应用产品设计工程师提供的复合资料构件产品三维数据停止复合资料构件工装的设计，并将工装边界信息传递给产品设计工程师停止复合资料构件预浸料铺层的详细设计。

（5〕设计系统与制造系统的集成

除采用数字量方式对复合资料构件停止片面描画及数据传递之外，复合资料构件数字化设计/制造软件FiberSIM提供数据接口以联络设计和制造环节，在并行设计进程中使制造与设计定义直接结合，完成了设计到

制造车间的无缝集成，其集成进程如图13所示。

复合资料设计人员完成铺层设计后，自动从设定的铺层定义生成三维实体后，基于该三维CAD模型生成铺层展开数据，为制造做数据预备，铺层展开数据进一步提取生成下料机公用的下料文件和支持Virtek和GeneralScanning等激光投影系统的激光投影编码〔或提供中介APT格式文件〕，经过数据接口将上述文件信息区分输入到自动剪裁机和激光铺层定位系统，自动停止优化排样、下料以及各铺层的准确定位。

3.4.3复合资料构件制造进程数据管理系统开发

复合资料车间制造执行系统是完成协同消费、信息的集成共享和消费精细化管理的手腕。

该系统主要完成的功用包括：

消费作业方案和调度管理、物料需求配送管理、零件执行跟踪、库房管理、岗位管理、人员管理、权限管理和统计管理，以及ERP和CAPP接口等功用。

系统框架图如图14所示。

图13设计系统到制造车间的集成图14车间制造执行系统框架图

4　取得的效果

复合资料构件数字化消费线树立是一项庞大而复杂的系统工程，我们本着总体规划、分步实施的原那么展开了项目的初步研讨并取得了一些阶段性效果，主要有：

〔1〕制定了我国第一条飞机复合资料构件数字化消费线的总体树立方案，初步树立了复合资料构件数字化消费线体系框架，对国际飞机制造业研讨树立复合资料构件数字化消费线具有重要参考价值；

〔2〕改动了临时以来不时采用金属件设计方法停止复合资料构件设计的形式，对复合资料构件产品每一铺层停止数字化定义，完成了将复合资料构件产品数字化定义数据从设计初期传递至工装设计、工艺设计、数控剪裁设备和激光铺层定位系统，基本打通了复合资料构件在现有计算机软、硬件及数字化制造设备条件下从设计到制造进程的数据流；

〔3〕以复合资料构件研制流程为主线，研讨复合资料构件数字化工程环境中数据拓延和传递关系，开发了复合资料构件制造进程信息管理系统、工艺快速设计系统、工装快速设计工具集等软件系统和数据接口、完成了CAD/CAPP/CAM/ERP的集成；

〔4〕初步树立了工艺基础数据库、工装规范件库、典型工装结构库；

〔5〕编制了复合资料制件工装建模要求和数控编程通用要求两项航空行业规范。

5　实例验证

5.1直升机全复合资料座舱罩顶棚研制

在直升机全复合资料座舱罩顶棚设计进程中，运用数字化手腕停止构件的数字化产品设计、数字化工艺设计、数字化工装设计、数字化制造及数字化检测等，验证了从设计、工艺、工装到制造的数字化流程〔见图15〕。

图15设计与工艺制造一体化流程图

5.2蜂窝夹层结构板件设计

蜂窝夹层结构板件设计应将蜂窝下面的铺层和蜂窝下面的铺层各设计一个laminate，便于铺层展开。

各铺层展开时有时会存在效果，为保证铺层精度和便于工人操作，有些铺层下料文件需停止适当调整，以满足需求。

（1）蜂窝下面带有开孔的铺层需带着启齿展开成下料图，但关于带有启齿超幅宽的铺层，软件展开下料图〔见图16〕，需求在下料微机上对铺层下料文件停止调整〔见图17〕；

图16图17

（2）关于蜂窝夹层结构板件，由于蜂窝具有一定的高度，蜂窝下面板的铺层经过FiberSIM软件生成的下料图，不是很规范〔见图18〕，与相应铺层的激光投影范围不协调，制造困难，需求对不规范的平面图样输入文件停止调整〔见图19〕，调整时要参考各铺层的激光投影范围停止调整，经首件验证后，确定各铺层准确的下料图。

图18图19

6　完毕语

飞机复合资料构件数字化消费线技术研讨内容涵盖了复合资料构件数字化消费线体系、复合资料构件数字化设计、复合资料构件数字化制造、复合资料构件数字化检测、复合资料构件数字化消费线集成技术五大局部，本项目以制定我国第一条飞机复合资料构件数字化消费线的总体树立方案为首要义务，理清思绪，突出重点，并充沛吸收国际外先进的阅历，以打通复合资料构件从产品设计到工艺设计、工装设计、构件制造等进程的数据流为首要目的展开各项研讨任务，取得了阶段性研讨效果，对航空、航天等行业树立数字化复合资料构件消费线具有重要的参考作用。

参考文献

[1]中国航空研讨院，复合资料结构设计手册，航空工业出版社，2001

[2]杨乃宾、章怡宁，复合资料飞机结构设计，航空工业出版社，2002

[3]欧洲航天局，复合资料设计手册，航空航天部飞机强度研讨所，1992

[4]戴棣、谢富原，航空复合资料结构的先进制造技术，航空复合资料预研二十年回忆与展望研讨会论文集，2001

[5]沃丁柱主编，复合资料大全，化学工业出版社，2000

[6]RobertA.Moore,TOOLENGINEERINGANDMANUFACTURINGSYSTEM（TEAMS）,PresentedattheAmericanHelicopterSociety55thAnnualForum,1999

[7]刘秀芝、黄领才等，复合资料数字化技术研讨运用，第十三届全国复合资料学术会议论文集，第919页，2004

[8]李翌辉，孙树栋，何卫对等.打通飞机数字化消费线的流程研讨[J]，航空制造技术，2005〔2〕：

28-33

[9]刘善国，国外飞机先进制造技术趋向[J]，航空迷信技术，2003〔4〕：

26-29

[10]徐微，王普.数字化设计制造技术在飞机研制中的运用研讨与实际-〝九五〞航空CIMS工程[J]，航空制造技术，2001〔4〕：

19，20，34