复合材料数字化技术应用研究

　   从数字化技术应用角度，我国航空企业的复合材料数字化设计制造技术仍处于很低的水平，仅是某些数字化单项技术的应用，不具有组合性和连续性。
　　而欧美的航空公司（波音和空客）在飞机研制中将数字化技术应用到设计、制造、管理的整个过程当中，从最初的设计建模，到工艺准备、工装设计，再到后期的产品检验，每个环节无一不用到了数字化技术。国外的这些应用成果表明，必须建立集成的数字化设计制造环境，这样才能真正地打通复合材料构件数字化生产线，打造出飞机复材结构件的精品。
　　1 复合材料数字化设计与制造环境
　　1.1 设计数字化
　　1.1.1 目前的软件环境。建立了以万兆以太网为干线的企业园区网，拥有上千台先进计算机、大型服务器和PDM系统等良好的硬件基础。拥有CATIAV4、CATIAV5工作平台，实现了复合材料构件100%的计算机辅助设计。拥有复合材料专用设计软件FiberSIM、Covers、CPD，结构分析软件MSC、Patran、Nastran、Dytran、Fatigure、Beasy、Nasgrow、优化软件COMPASS等。图1和图2为应用设计软件进行数字化设计。
　　1.1.2 FiberSIM和CPD工程设计软件。FiberSIM和CPD软件是集成于CAD系统中的一个软件工具包，它可以使CAD系统成为高性能的设计和制造复合材料零件的软件工具。FiberSIM和CPD软件可以进行复合材料零件的结构分析、工程设计、曲面展开、铺层定义、自动排料等，并通过相应接口将定义信息传递至自动剪裁机、激光铺层定位仪和检测设备，完全取消了图纸并提供了复合材料零件数字化定义的单一产品数据源，不会由于不正确或不完整的尺寸以及数据转换错误造成返工，极大地减少了检验工作量，产品精度大大提高。
　　1.1.3 生产制造数字化复合材料的生产规模、生产能力与生产设备关系紧密，生产规模的扩大与产品质量的提高都要有高质量的设备作基础。哈飞的复合材料发展的每一个阶段，都配备了与生产发展相配套的设备。到目前为止，我厂已经具备铺层定位系统、数控下料机等工艺设备。表1为我厂复合材料主要生产设备。
　　1.2 铣床
　　1.2.1 自动铺带系统。复合材料制造工时中，手工铺层所需工时约占总工时的60%或更高，而且质量不稳定（一般铺层取向有±2°的误差，铺层间隙不均匀）。纤维缠绕法铺层自动化、效率高，多用于形状规则的筒形、板形构件，为此开发了ATL（Automated Tape Laing）自动铺带技术。
　　ATL技术中铺放头单轴向运动，只能铺30°范围内的外形，带宽3～12英寸，铺带速度为每分钟40m。美国波音Cinati Machine与Cytec共同努力于70年代中期开始研制自动铺带机，现已发展了三代Tape Laing Machine：
　　第一代：平面、窄带、带宽3英寸
　　第二代：大型平面、宽带、带宽12英寸
　　第三代：铺曲面，称“外形铺带机”CTLM
　　主要工作过程：预浸料分配→稍加热→与纸分离→铺下、切断、压实，关键是铺带头，具有扇形端，随零件外形走动、均匀施压。该技术可节省86%的铺贴工时，10%的材料，废品率仅3%～5%，手工为25%～30%。取向均匀性都比手工铺贴好，提高了制件的精度和质量，降低了成本。据悉，目前已售出50多台，价格约为每台300万美元。
　　1.2.2 自动铺丝系统。由于带子太宽，所以ATL技术难于铺出有双曲率的形状复杂的构件，因此，在ATL技术和纤维缠绕技术的基础上发展了AFP（Automated Fiber Placement）自动纤维铺放技术，该技术自20世纪80年代中期研发，1989年Cincinati Machine设计了第一台AFPM，并于1990年交付使用。
　　AFP技术中，丝束是预浸无捻纤维束，宽度为3mm的窄带，厚度0.14mm，长度以km计，铺放速度为每分钟6m，计算机程序控制，铺放精度可达3‰，铺层时可进行压实或固化。
　　窄的丝束可以更好地控制纤维取向，只增强那些应该增强的部位，而不会将周围部分随之过分增强。由于铺放头可以单独铺放及切割每一丝束，所以AFP技术易于构成厚截面和变截面以及制造几何形状复杂的大型构件，并且具有速度快、精度高、质量好、材料利用率高的特点，加上大面积整体成形技术可降低成本50%。自动纤维铺放机如图3所示：
　　1.2.3 自动下料系统。为减少手工下料错误，使下料过程更准确、更快捷，采用专门的数控切割设备来进行预浸料的平面切割。转化后的数据文件被用于控制切割设备的运行，从而避免手工操作不可缺少的切割样板，有助于为铺层排料和特形铣等后续应用提供必要的信息。
　　1.2.4 激光铺层定位系统。激光铺层定位系统是由一个工作站附带若干台铺层定位仪而构成的。工作时定位仪将激光投射在工装的定位元件上。确定位置后即开始工作，按工作站预先编制的软件将激光投射在工装预定的区域，表明要铺层的位置、形状、材料种类代号及方向。该系统不仅提高了铺层准确性，而且实现了整个过程脱离图纸，从而极大地提高了劳动生产率。
　　2 研究内容与过程
　　本课题以转包B787复合材料翼身整流罩494Z2202-3为基础，研究复合材料数字化技术的应用。首先，哈飞的设计、工艺和质量人员对波音公司提供的《纤维增强复合材料件制造规范》（BAC5317）要求统一认识。其次，分析波音公司提供的复合材料板件数模，按规范要求进行铺层扩展补充设计，并生成供制造车间数控切割设备下料的铺层展开图和供激光铺层定位系统投影的激光投影程序。最后，由制造车间对铺层展开图进行排板下料，并按激光铺层定位系统的投影和BAC5317要求进行铺层，铺层结束后，按规定的温度、压力和时间进行固化。固化结束后进行切边钻孔，并按BAC5317要求进行C扫描和无损检测（NDI）。 　　B787复合材料翼身整流罩板件曲面比较复杂，零件的结构尺寸为2700×1300mm，板件均为蜂窝夹层结构，采用对称设计，铺层主要以0°、±45°和90°三种为主，在每一个件中至少有10%某方向的铺层，以防止树脂直接受力。铺层递减宽度相等，均大于或等于2.54mm，以避免层剪破坏。该件有6块蜂窝，6块蜂窝为变厚度蜂窝，厚度为25.4～46mm不等，加工起来非常困难。蜂窝边缘采用切20°
　　角形式，采用大圆角过渡，板件铺层为29层。
　　B787板件所选用的材料为环氧胶膜（BMS5-154）、铝箔（BMS8-336）、玻璃纤维环氧加强布（BMS8-79）、碳纤维环氧加强布（BMS8-168）和泰德拉膜，在上表面蒙皮采用一层厚0.1mm的铝箔来达到防雷击的目的。
　　以上所有零件的几何形状、结构尺寸、尺寸公差、材料属性、工艺信息都包含在CATIA数模和FiberSIM软件中。图4为用FiberSIM软件显示板件模型各种设计信息。
　　根据每一层的边界生成投影文件；根据每一层的展开图生成下料文件，将这两个文件分别输入到投影设备和下料设备中，投影设备在工装表面投影出每一层的轮廓，自动下料机按照下料文件上的信息在预浸料上裁减出每一层的平面展开状态的形状，最后将下料机裁减出的每一层按照工装上所投影出的轮廓铺贴上去，当所有层都铺贴完成后到热压罐里固化成形，经过切割最终成型出产品。
　　3 结语
　　通过对波音787翼身整流罩的数字化设计与制造研究，应用复合材料数字化设计制造技术与传统设计、制造方法相比：制造周期缩短30%；原材料节省20%。
　　通过对复合材料数字化技术应用进行全面研究，可以极大地推动我国复合材料设计与制造水平，实现复合材料设计、工艺、制造一体化，数字化技术的应用将成为今后我国航空企业工段技术的主要发展方向。