淺談國內(nèi)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)

復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中的大量使用為復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的活力。現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)多大量采用復(fù)合材料，因其能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)運(yùn)行低燃料消耗、高巡航速度、高效益及舒適的客艙環(huán)境。而復(fù)合材料的高成本卻限制其擴(kuò)大應(yīng)用與發(fā)展，為此，許多國家制定并實(shí)施了低成本復(fù)合材料計(jì)劃，截至目前，復(fù)合材料低成本化仍然是復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展研究的核心問題。
在20世紀(jì)80年代后期，以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家開始研究并首先應(yīng)用了一項(xiàng)新技術(shù)即復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)。設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)可以提高產(chǎn)品的研制生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。
我國復(fù)合材料技術(shù)較發(fā)達(dá)國家相對(duì)落后，國內(nèi)航空企業(yè)通過國際合作項(xiàng)目的介入，不但可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，又可以學(xué)習(xí)和掌握先進(jìn)的復(fù)合材料零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，以及先進(jìn)的管理方法和理念，最終為我國復(fù)合材料零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。國內(nèi)航空企業(yè)通過不斷學(xué)習(xí)和積累，能夠提高自身能力，為我國航空復(fù)合材料制造起到引領(lǐng)和革新的作用。而在航空復(fù)合材料國際合作之初，先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)就引入到了國際合作轉(zhuǎn)包項(xiàng)目中來，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[1]。FiberSim、CPD復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件的引入可以使設(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)人員使用這些專業(yè)復(fù)合材料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；可以進(jìn)行復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析、工程設(shè)計(jì)、曲面展開、鋪層定義等，并通過相應(yīng)接口將定義信息傳遞至自動(dòng)下料機(jī)、激光鋪層定位儀，直接利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)控剪裁、預(yù)浸料激光定位鋪層，完全取消了圖紙并提供了復(fù)合材料零件數(shù)字化定義的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，提供正確完整的產(chǎn)品定義信息，不再由于不正確或不完整的尺寸以及數(shù)據(jù)傳遞錯(cuò)誤造成返工，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度。

國內(nèi)外合作項(xiàng)目研究

1　龐巴迪公司
龐巴迪宇航下屬有蒙特利爾分部（原加拿大飛機(jī)公司）、利爾噴氣分部（原利爾噴氣公司，美國）、多倫多分部（原德哈維蘭）、貝爾法斯特分部（原肖特，英國）4家實(shí)力很強(qiáng)的飛機(jī)制造企業(yè)，其中（原）加拿大飛機(jī)和利爾噴氣原本就是2家世界知名噴氣公務(wù)機(jī)制造企業(yè)，各自的產(chǎn)品為“挑戰(zhàn)者”600和“利爾噴氣”系列。“環(huán)球快車”（Global Express，超遠(yuǎn)程，90年代中期）、“挑戰(zhàn)者”300（超中型，90年代末期）、“環(huán)球快車”5000（“環(huán)球快車”的遠(yuǎn)程改型，機(jī)身縮短，航程縮短）等全新飛機(jī)項(xiàng)目除了內(nèi)部分工協(xié)作外，還采用國際風(fēng)險(xiǎn)合作方式研制。日本三菱重工是最主要的結(jié)構(gòu)合作伙伴，負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)翼的設(shè)計(jì)和制造。2010年發(fā)起研制的“環(huán)球快車”7000和8000新一代超遠(yuǎn)程噴氣公務(wù)機(jī)仍將采用國際合作的方式[2]。以上各機(jī)型都采用CATIA CPD完成對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造工作。 123456

2　波音公司
波音公司在與國內(nèi)主機(jī)廠合作生產(chǎn)的波音737、747、787 系列飛機(jī)的翼身整流罩、內(nèi)襟翼均采用CATIA CPD 模塊數(shù)字化設(shè)計(jì)制造完成[3]。波音787復(fù)合材料構(gòu)件重量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%左右, 是迄今為止復(fù)合材料用量最多的一個(gè)機(jī)型: 其機(jī)身、機(jī)尾翼采用碳纖維層合結(jié)構(gòu);而升降舵、方向舵卻保留了過去采用的碳纖維夾芯結(jié)構(gòu); 發(fā)動(dòng)機(jī)艙除受力大的發(fā)動(dòng)機(jī)吊架外均采用碳纖維夾芯結(jié)構(gòu); 整流罩采用玻璃纖維夾芯結(jié)構(gòu)。其復(fù)合材料件的生產(chǎn)分布在全世界各地進(jìn)行, 而且采用了許多新工藝、新設(shè)備和新材料。其中復(fù)合材料的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造是復(fù)合材料零部件制造的主要設(shè)計(jì)手段。具體的應(yīng)用實(shí)例如圖1、圖2所示。




3　空客公司
空客公司在整個(gè)A350 XWB項(xiàng)目、A380復(fù)合材料項(xiàng)目中完成了對(duì)所有復(fù)合材料零件的CATIA平臺(tái)設(shè)計(jì)，并使用復(fù)合材料設(shè)計(jì)模塊完成數(shù)字化的設(shè)計(jì)制造任務(wù)。以空客A380（圖3）為例：其復(fù)合材料用量占到結(jié)構(gòu)重量的25%，機(jī)身段、尾翼段、襟副翼的設(shè)計(jì)制造都是采用CPD模塊對(duì)設(shè)計(jì)制造流程進(jìn)行優(yōu)化。空客公司的工程師用CATIA定義模具面、層的位置和邊界、泡沫夾芯的位置等。CPD軟件將層管理起來，為每個(gè)層自動(dòng)生成表格，記錄非幾何信息與層的邊界、相關(guān)的標(biāo)記等聯(lián)系起來，確保層在制造過程中能正確定位。CPD的文檔功能，生成鋪層圖、鋪層表、材料表和序列表，從而使空客的復(fù)合材料設(shè)計(jì)工作時(shí)間降低了約50%，采用了新技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)制造復(fù)合材料部件后，空客公司節(jié)省了5%~25%的初始設(shè)計(jì)時(shí)間，減少了45%的反復(fù)設(shè)計(jì)修改時(shí)間，極大地降低了手工鋪層的時(shí)間，達(dá)到了全過程控制復(fù)合材料鋪層，消除了反復(fù)試驗(yàn)的過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)最大限度地降低了產(chǎn)品的廢品率。

123456

國內(nèi)復(fù)合材料零件設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀

通過大量的復(fù)合材料零件設(shè)計(jì)制造的國際合作項(xiàng)目，我們可以學(xué)習(xí)和掌握先進(jìn)的結(jié)構(gòu)制造技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)，以及先進(jìn)的管理方法和理念。例如，中航工業(yè)哈飛集團(tuán)自20世紀(jì)90年代國際化合作初期就已經(jīng)完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制件轉(zhuǎn)CATIA設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立，在本世紀(jì)初完成了對(duì)復(fù)合材料零件數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的探索，其中國內(nèi)某型直升機(jī)主減平臺(tái)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造流程如圖4 所示。通過國際復(fù)合材料轉(zhuǎn)包項(xiàng)目合作，中航工業(yè)哈飛集團(tuán)已經(jīng)將先進(jìn)的復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)制造流程引入到國內(nèi)現(xiàn)有的復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中，并從中獲得了相關(guān)的國外復(fù)合材料先進(jìn)的技術(shù)，且完成由合作項(xiàng)目到自主生產(chǎn)的過渡，為國內(nèi)復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)制造引領(lǐng)了方向。

copyright 123456

中航工業(yè)通用飛機(jī)有限責(zé)任公司自主研發(fā)的領(lǐng)航150飛機(jī)（圖5）其機(jī)身、機(jī)翼、尾翼均為復(fù)合材料構(gòu)件，整機(jī)復(fù)合材料用量超過90%，以CATIA CPD 為設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。



復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化研究

1　數(shù)字化的設(shè)計(jì)流程
通過合作項(xiàng)目的引入及預(yù)先研究，改變長(zhǎng)期以來采用金屬零件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)的固有模式，而對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的產(chǎn)品每一鋪層進(jìn)行數(shù)字化定義，實(shí)現(xiàn)了將復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品數(shù)字化定義數(shù)據(jù)從設(shè)計(jì)初期傳遞至工裝設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化剪裁設(shè)備和激光鋪層定位系統(tǒng)的傳遞過程，在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)軟硬件及數(shù)字化設(shè)備前提條件下，打通了復(fù)合材料構(gòu)件從設(shè)計(jì)到制造過程的數(shù)據(jù)流。該流程可以簡(jiǎn)要概括如下：

123456

三維模型建好以后，用于工裝的設(shè)計(jì)制造，同時(shí)輸入復(fù)合材料專用設(shè)計(jì)/ 制造軟件，完成基于三維模型的鋪層展開。鋪層展開數(shù)據(jù)進(jìn)一步提取通過數(shù)據(jù)接口生成下料機(jī)專用的排樣下料文件、直接支持Virtek 和General Scanning 激光投影系統(tǒng)的激光投影編碼以及用于纖維鋪放的鋪層文件等，通過數(shù)據(jù)接口將上述文件信息分別輸入到排樣系統(tǒng)、自動(dòng)剪裁機(jī)、激光鋪層定位系統(tǒng)和纖維鋪放機(jī)等制造設(shè)備，自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化排樣、下料、各鋪層精確定位以及纖維鋪放等。復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造一體化實(shí)現(xiàn)了零件三維模型到制造的無縫集成，極大地減少了不準(zhǔn)確的鋪層尺寸和鋪設(shè)方向，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)自動(dòng)切割和優(yōu)化排樣減少了材料浪費(fèi)，激光鋪層定位消除了手工切割樣板和手工鋪層樣本。夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化流程[4] 如圖6所示。

本文來自123

2　復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計(jì)原則
在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上通過對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的研究，形成了一套復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計(jì)原則。進(jìn)行復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)，除要符合復(fù)合材料一般設(shè)計(jì)要求之外，還要遵守以下原則：
（1） 分開的鋪層片之間需要進(jìn)行對(duì)接或搭接，一般在連接區(qū)和有配合要求的區(qū)域?qū)?，在沒有嚴(yán)格要求的地方搭接，搭接區(qū)域一般為12~15mm。
（2） 對(duì)鋪層進(jìn)行制造可行性分析時(shí)，如有部分纖維變形過大，可采取優(yōu)化鋪放起始點(diǎn)、優(yōu)化拼接位置、局部區(qū)域打剪口以及鋪層分開后連接等方法來消除纖維變形過大。對(duì)于鋪設(shè)方向的垂線方向大于預(yù)浸料幅寬的鋪層，客觀條件要求必須要將預(yù)浸料分成片，可以通過逐步優(yōu)化分片的位置和鋪放起始點(diǎn)使其通過仿真要求，對(duì)于特別復(fù)雜的零件可在局部打剪口。對(duì)于鋪設(shè)方向的垂線方向小于預(yù)浸料幅寬的鋪層，一般采取優(yōu)化鋪放起始點(diǎn)來消除纖維變形過大，必要時(shí)可在局部開設(shè)剪口，剪口主要分為U型剪口和V型剪口，前者適用于鋪層局部受壓引起的纖維變形，開剪口后不需打補(bǔ)片；后者適用于纖維由于拉伸引起的纖維變形，開剪口后需要打補(bǔ)片。對(duì)于鋪層分開后連接除非在特殊情況下否則一般不用。

本文來自123

復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化是復(fù)合材料發(fā)展的必然趨勢(shì)

制造復(fù)合材料零部件的數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在如下方面：
（1）復(fù)合材料原材料成本控制節(jié)約。
以中航工業(yè)通用飛機(jī)有限責(zé)任公司自主研發(fā)的領(lǐng)航150飛機(jī)為例，通過引入復(fù)合材料零件的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，使得單架機(jī)材料成本節(jié)約費(fèi)用6萬元，以領(lǐng)航150飛機(jī)年產(chǎn)100架計(jì)算，每年材料節(jié)約費(fèi)用超過600萬元；中航工業(yè)哈飛集團(tuán)通過波音轉(zhuǎn)包項(xiàng)目的引入，實(shí)現(xiàn)某型號(hào)整流罩單架機(jī)約材料費(fèi)用5萬元，年節(jié)約費(fèi)用超過150萬元；哈飛集團(tuán)通過對(duì)國際合作技術(shù)的研究最終完成了技術(shù)轉(zhuǎn)型，將現(xiàn)有機(jī)型的復(fù)合材料零部件的制造由原有的模線、樣板的手工模式轉(zhuǎn)換到數(shù)字化設(shè)計(jì)制造流程的應(yīng)用中，廢品率降至生產(chǎn)初期的2%，并大大節(jié)約了設(shè)計(jì)、制造成本。
（2）設(shè)計(jì)周期的控制。
從復(fù)合材料零件的設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的整個(gè)周期，由原來完成設(shè)計(jì)工作移交到工藝進(jìn)行制造前的生產(chǎn)準(zhǔn)備，轉(zhuǎn)變成由數(shù)字化設(shè)計(jì)分析優(yōu)化，通過軟件的前期優(yōu)化、激光投影儀的自動(dòng)下料機(jī)的配合使用，進(jìn)而縮短設(shè)計(jì)制造周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減少產(chǎn)品報(bào)廢率。通過預(yù)研項(xiàng)目的初步分析，該數(shù)字化設(shè)計(jì)制造流程的引入可以使設(shè)計(jì)周期縮短20%，生產(chǎn)效率提高近25%。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件用量的比例已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)是充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)的高效、低成本技術(shù)。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)不僅能減輕結(jié)構(gòu)重量、提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且還降低了成型過程中的設(shè)備使用成本和工時(shí)，從而降低成本，特別是制造成本，是一種降低復(fù)合材料飛機(jī)制造成本的有效方法，是國際通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展方向，也是國內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢(shì)。

內(nèi)容來自123456

結(jié)束語
本文通過對(duì)國外先進(jìn)理念的分析、國際合作項(xiàng)目的引入及國內(nèi)主機(jī)廠現(xiàn)有的自主對(duì)于復(fù)合材料零部件的流程的現(xiàn)狀分析研究，指出復(fù)合材料零部件未來的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的趨勢(shì)，以打造復(fù)合材料構(gòu)件從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、制造等過程的數(shù)字流程為首要目的開展研究工作，真正意義上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造的低成本，也是國內(nèi)今后復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造的必然趨勢(shì)。（責(zé)編　夏宛）

來源：航空制造網(wǎng)