淺談國內(nèi)復合材料設計制造一體化技術(shù)

復合材料在航空領域中的大量使用為復合材料技術(shù)的發(fā)展注入了強大的活力。現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)多大量采用復合材料，因其能夠?qū)崿F(xiàn)飛機運行低燃料消耗、高巡航速度、高效益及舒適的客艙環(huán)境。而復合材料的高成本卻限制其擴大應用與發(fā)展，為此，許多國家制定并實施了低成本復合材料計劃，截至目前，復合材料低成本化仍然是復合材料技術(shù)發(fā)展研究的核心問題。
在20世紀80年代后期，以美國為首的西方發(fā)達國家開始研究并首先應用了一項新技術(shù)即復合材料設計制造一體化技術(shù)。設計制造一體化技術(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。
我國復合材料技術(shù)較發(fā)達國家相對落后，國內(nèi)航空企業(yè)通過國際合作項目的介入，不但可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益，又可以學習和掌握先進的復合材料零部件結(jié)構(gòu)設計及制造技術(shù)，以及先進的管理方法和理念，最終為我國復合材料零部件設計制造技術(shù)的發(fā)展奠定基礎。國內(nèi)航空企業(yè)通過不斷學習和積累，能夠提高自身能力，為我國航空復合材料制造起到引領和革新的作用。而在航空復合材料國際合作之初，先進的設計制造一體化技術(shù)就引入到了國際合作轉(zhuǎn)包項目中來，采用數(shù)字化設計制造技術(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復合材料設計軟件的引入可以使設計人員同時在零件幾何、材料、結(jié)構(gòu)要求以及工藝過程約束之間進行權(quán)衡。設計人員使用這些專業(yè)復合材料軟件能快速可視化鋪層形狀和纖維方向，在設計階段即發(fā)現(xiàn)制造問題，并采取相應的糾正措施；可以進行復合材料零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析、工程設計、曲面展開、鋪層定義等，并通過相應接口將定義信息傳遞至自動下料機、激光鋪層定位儀，直接利用設計數(shù)據(jù)進行數(shù)控剪裁、預浸料激光定位鋪層，完全取消了圖紙并提供了復合材料零件數(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家實力很強的飛機制造企業(yè)，其中（原）加拿大飛機和利爾噴氣原本就是2家世界知名噴氣公務機制造企業(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”的遠程改型，機身縮短，航程縮短）等全新飛機項目除了內(nèi)部分工協(xié)作外，還采用國際風險合作方式研制。日本三菱重工是最主要的結(jié)構(gòu)合作伙伴，負責整個機翼的設計和制造。2010年發(fā)起研制的“環(huán)球快車”7000和8000新一代超遠程噴氣公務機仍將采用國際合作的方式[2]。以上各機型都采用CATIA CPD完成對復合材料結(jié)構(gòu)件的設計制造工作。 123456

2　波音公司
波音公司在與國內(nèi)主機廠合作生產(chǎn)的波音737、747、787 系列飛機的翼身整流罩、內(nèi)襟翼均采用CATIA CPD 模塊數(shù)字化設計制造完成[3]。波音787復合材料構(gòu)件重量占全機結(jié)構(gòu)重量的50%左右, 是迄今為止復合材料用量最多的一個機型: 其機身、機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)動機艙除受力大的發(fā)動機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)。其復合材料件的生產(chǎn)分布在全世界各地進行, 而且采用了許多新工藝、新設備和新材料。其中復合材料的數(shù)字化設計制造是復合材料零部件制造的主要設計手段。具體的應用實例如圖1、圖2所示。




3　空客公司
空客公司在整個A350 XWB項目、A380復合材料項目中完成了對所有復合材料零件的CATIA平臺設計，并使用復合材料設計模塊完成數(shù)字化的設計制造任務。以空客A380（圖3）為例：其復合材料用量占到結(jié)構(gòu)重量的25%，機身段、尾翼段、襟副翼的設計制造都是采用CPD模塊對設計制造流程進行優(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，為每個層自動生成表格，記錄非幾何信息與層的邊界、相關(guān)的標記等聯(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，從而使空客的復合材料設計工作時間降低了約50%，采用了新技術(shù)和軟件設計制造復合材料部件后，空客公司節(jié)省了5%~25%的初始設計時間，減少了45%的反復設計修改時間，極大地降低了手工鋪層的時間，達到了全過程控制復合材料鋪層，消除了反復試驗的過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時最大限度地降低了產(chǎn)品的廢品率。

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國內(nèi)復合材料零件設計制造現(xiàn)狀

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

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中航工業(yè)通用飛機有限責任公司自主研發(fā)的領航150飛機（圖5）其機身、機翼、尾翼均為復合材料構(gòu)件，整機復合材料用量超過90%，以CATIA CPD 為設計平臺進行數(shù)字化設計制造。



復合材料數(shù)字化設計制造一體化研究

1　數(shù)字化的設計流程
通過合作項目的引入及預先研究，改變長期以來采用金屬零件設計方法進行復合材料構(gòu)件設計的固有模式，而對復合材料構(gòu)件的產(chǎn)品每一鋪層進行數(shù)字化定義，實現(xiàn)了將復合材料構(gòu)件產(chǎn)品數(shù)字化定義數(shù)據(jù)從設計初期傳遞至工裝設計、工藝設計、數(shù)字化剪裁設備和激光鋪層定位系統(tǒng)的傳遞過程，在現(xiàn)有計算機軟硬件及數(shù)字化設備前提條件下，打通了復合材料構(gòu)件從設計到制造過程的數(shù)據(jù)流。該流程可以簡要概括如下：

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三維模型建好以后，用于工裝的設計制造，同時輸入復合材料專用設計/ 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)進一步提取通過數(shù)據(jù)接口生成下料機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)、自動剪裁機、激光鋪層定位系統(tǒng)和纖維鋪放機等制造設備，自動進行優(yōu)化排樣、下料、各鋪層精確定位以及纖維鋪放等。復合材料設計、制造一體化實現(xiàn)了零件三維模型到制造的無縫集成，極大地減少了不準確的鋪層尺寸和鋪設方向，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時自動切割和優(yōu)化排樣減少了材料浪費，激光鋪層定位消除了手工切割樣板和手工鋪層樣本。夾層復合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化流程[4] 如圖6所示。

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2　復合材料構(gòu)件數(shù)字化設計原則
在理論和實踐的基礎上通過對復合材料結(jié)構(gòu)設計軟件的研究，形成了一套復合材料構(gòu)件數(shù)字化設計原則。進行復合材料數(shù)字化設計時，除要符合復合材料一般設計要求之外，還要遵守以下原則：
（1） 分開的鋪層片之間需要進行對接或搭接，一般在連接區(qū)和有配合要求的區(qū)域?qū)樱跊]有嚴格要求的地方搭接，搭接區(qū)域一般為12~15mm。
（2） 對鋪層進行制造可行性分析時，如有部分纖維變形過大，可采取優(yōu)化鋪放起始點、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。對于鋪設方向的垂線方向大于預浸料幅寬的鋪層，客觀條件要求必須要將預浸料分成片，可以通過逐步優(yōu)化分片的位置和鋪放起始點使其通過仿真要求，對于特別復雜的零件可在局部打剪口。對于鋪設方向的垂線方向小于預浸料幅寬的鋪層，一般采取優(yōu)化鋪放起始點來消除纖維變形過大，必要時可在局部開設剪口，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，開剪口后需要打補片。對于鋪層分開后連接除非在特殊情況下否則一般不用。

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復合材料設計制造一體化是復合材料發(fā)展的必然趨勢

制造復合材料零部件的數(shù)字化設計的優(yōu)勢體現(xiàn)在如下方面：
（1）復合材料原材料成本控制節(jié)約。
以中航工業(yè)通用飛機有限責任公司自主研發(fā)的領航150飛機為例，通過引入復合材料零件的數(shù)字化設計制造技術(shù)，使得單架機材料成本節(jié)約費用6萬元，以領航150飛機年產(chǎn)100架計算，每年材料節(jié)約費用超過600萬元；中航工業(yè)哈飛集團通過波音轉(zhuǎn)包項目的引入，實現(xiàn)某型號整流罩單架機約材料費用5萬元，年節(jié)約費用超過150萬元；哈飛集團通過對國際合作技術(shù)的研究最終完成了技術(shù)轉(zhuǎn)型，將現(xiàn)有機型的復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)字化設計制造流程的應用中，廢品率降至生產(chǎn)初期的2%，并大大節(jié)約了設計、制造成本。
（2）設計周期的控制。
從復合材料零件的設計到產(chǎn)品的整個周期，由原來完成設計工作移交到工藝進行制造前的生產(chǎn)準備，轉(zhuǎn)變成由數(shù)字化設計分析優(yōu)化，通過軟件的前期優(yōu)化、激光投影儀的自動下料機的配合使用，進而縮短設計制造周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減少產(chǎn)品報廢率。通過預研項目的初步分析，該數(shù)字化設計制造流程的引入可以使設計周期縮短20%，生產(chǎn)效率提高近25%。
復合材料結(jié)構(gòu)件用量的比例已經(jīng)成為飛機先進性的重要標志。復合材料設計制造一體化技術(shù)是充分發(fā)揮復合材料優(yōu)點和特點的高效、低成本技術(shù)。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，復合材料設計制造一體化技術(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備使用成本和工時，從而降低成本，特別是制造成本，是一種降低復合材料飛機制造成本的有效方法，是國際通用飛機結(jié)構(gòu)設計制造技術(shù)的發(fā)展方向，也是國內(nèi)復合材料應用發(fā)展的必然趨勢。

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

來源：航空制造網(wǎng)