FIBERSIM软件在工字梁铺层设计上的应用

2015-04-03张玉华尹晓霞

教练机 2015年2期

张玉华，黄勋，尹晓霞

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

复合材料以其高强轻质、性能各向异性和结构可设计性等特点,广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。但复合材料铺层结构设计较为复杂,传统的二维软件设计需要工人根据二维图手工铺贴，设计和制造效率很低，已不能满足复合材料的批量化生产。为解决上述问题,多种复合材料设计、分析软件被开发、运用于复合材料的设计和制造中,大大的方便了复合材料的分析、设计和制造过程。

FiberSIM就是其中之一，它是集成于CAD系统中的一个软件工具包，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，不仅能够进行可制造性分析，还能生成激光投影仪、自动下料机以及自动铺放机的相关数据。FiberSIM软件独有的复合材料仿真技术，能够预测复合材料如何与复杂的表面贴合，并把贴合的结果形象地表示出来。FiberSIM软件能够支持整个复合材料的工程过程，可以使设计人员同时在零件几何、材料、结构要求以及工艺过程约束之间进行权衡。设计人员使用Fiber-SIM软件能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题，并采取相应的纠正措施；从初步设计、详细设计直到最终的复合材料部件，Fiber-SIM软件已在复合材料铺层设计上得到了广泛的应用。本文针对一种特殊结构形式“工”字梁，介绍基于CATIA软件如何运用FiberSIM快速、准确的进行铺层设计。

1 工字梁结构形式介绍

工字梁是一种比较常用的受力构件结构，因其截面类似“工”字而得名。复合材料工字梁零件一般需要四个铺层组，见图1。为了叙述方便将左右铺层组、上下铺层组分别用A铺层组、B铺层组、C铺层组、D铺层组表示。

工字梁制造时一般有两块模芯，先将A、B铺层组铺贴在两块模芯上，然后将两块模芯合在一起，在其表面铺贴C、D铺层组，如图2所示。

为了尽量减少翘曲，降低残余应力，消除“耦合”应力，复合材料设计中应尽可能的保证铺层对称。在大部分工字梁的设计中，因其左右铺层组对称，上下铺层组也对称。所以在用FiberSIM进行设计时，一般可先做出左（或右）侧铺层、上（或下）侧铺层，另两处铺层则可通过镜像的方式获得。

图1 工字梁铺层剖面示意图

图2 工字梁贴模面示意图

2 CATIA几何准备

FiberSIM铺层设计需要贴模面、设计边界、制造边界、原点、0°方向线、过渡边界等几何元素，因此，在进行工字梁铺层设计前需准备好几何体（如图3所示），并提取相应几何元素。在工字梁中因有四个铺层组，故需分别创建四组FiberSIM铺层设计所需的几何集。

图3 几何体

2.1 A铺层组几何准备

2.1.1 A铺层组贴模面准备

在准备好的零件数模实体中提取其左侧曲面，如图4所示。对提取出来曲面抽取完整边界，即为A贴模面的设计边界。对提取出来的曲面各边按需要进行延长，再用接合功能（）将贴模面接合，就得到了A铺层组贴模面。此处应注意一定要用接合功能（），因为这样可以通过改变曲面法线方向来调整其铺层生长方向，即调整是阴模还是阳模，如图5所示，箭头方向表示曲面法向，在FIBERSIM中默认曲面法线方向为铺层生长方向。将贴模面的完整边界提取出来，即得到A铺层组的制造边界。

图4 A贴模面曲面选取

图5 A贴模面

2.1.2 A铺层组原点及0°方向线准备

在贴模面上合适的位置取一个点，定义为铺设原点，注意原点必须在贴模面上；以原点为顶点按主受力方向作一条直线定义为0°方向线，还需注意0°方向线必须是直线，否则，FiberSIM中坐标系创建会提示错误，创建后如图6所示。

图6 A铺层组原点及0°方向线

2.1.3 A铺层组过渡边界准备

当零件的铺层不全是完整铺层时，需在CATIA中将不完整铺层边界做出，一般可采用投影、平行曲线、相交等命令得到，如图7所示。

图7 A铺层组过渡边界

2.2 B铺层组几何准备

若B贴模面与A贴模面几何完全对称，可用镜像的办法生成B铺层组的贴模面、设计边界、制造边界、原点、0°方向线等。若非完全对称则需按2.1所示将B铺层组几何集做出。

2.3 C铺层组几何准备

如图2所示，实际的C贴模面在零件内部，对C铺层组等厚的零件可用零件外表面直接偏置的办法获得C贴模面，但实际零件中等厚铺层比较少，较难得到内部实际的C贴模面。故大部分情况下，用工字梁缘条外表面做C贴模面。

按2.1所示将C铺层组的贴模面、设计边界、制造边界、过渡边界、原点及0°方向线等几何元素做出，如图8所示。

图8 C贴模面

2.4 D铺层组几何准备

若D贴模面与C贴模面几何完全对称，可用镜像的办法生成D铺层组的贴模面、设计边界、制造边界、原点、0°方向线。若非完全对称需按2.1所示将D铺层组几何集做出。

3 FiberSIM铺层设计

3.1创建A铺层组铺层

3.1.1 创建层合板（Laminate）A

进入FiberSIM模块，创建层合板A：鼠标选中左侧功能树上的Laminate,在面板右侧空白处右键点击Create new,Standard标签定义层合板顺序，使用字母A表示，Geometry标签里定义贴模面、设计边界、制造边界，在CATIA中选择对应创建的几何。

3.1.2 创建坐标系（Rosette）A

创建完了层合板，接下来要创建坐标系：鼠标选中左侧功能树上的Rosette，在面板右侧空白处右键点击Create new,Standard标签中“Laminate”选对应层合板 “A”，“hand direction”中是定义坐标系使用“right”（右手定则）还是“left”（左手定则），“Mapping type”是定义纤维的映射类型；Geometry标签定义“Origin”（原点）以及 “Deriction”（0°方向线），需在CATIA中选择对应创建的几何。

3.1.3 创建A铺层组

创建铺层（Ply）时，选上功能树中的Ply，右键在空白区域中Create new，Standard标签下定义代表铺层顺序的name(填PA0010、PA0020、PA0030……)，Parent（选择3.1.1中定义的A层合板），Sequence（填A代表A铺层组），、Step（填10、20、30……与name对应），在材料库中选择材料，Rosette（选择3.1.2中创建的坐标系），在方向中选择方向；Geometry标签下Boundary定义铺层的边界，点击OK就创建了一个铺层（Ply）。

按上述方法即可将A铺层组的铺层创建出来。

若零件的铺层较复杂则可选择用ACEE分区域的方法进行铺层设计，此处不一一赘述。

3.2 创建B铺层组铺层

3.2.1 定义层合板B

按3.1.1所示创建层合板B，使用字母B表示。

3.2.2 创建坐标系B

按 3.1.2所示创建坐标系 B，此处需注意在Standard标签中 “Laminate”选“B”，“hand direction”中需选择与坐标系A不同的定则，即若坐标系A使用“Right”（右手定则），则坐标系B需选择“Left”（左手定则），这样选择才能保证A、B坐标系是对称的。

3.2.3 创建B铺层组

3.2.3.1 B铺层与A完全对称

若B铺层组与A铺层组完全对称，则可通过CEE—Utilities—Symmetric Laminate命令实现对称。选中该命令，在面板右侧空白处右键点击Create new，在 Source Laminate中选择层合板 A，Source Rosette中选择坐标系A，Symmetric Laminate中选择层合板 B，Symmetric Rosette中选择坐标系 B，Symmetric Plane选择工字梁的腹板对称面，点击OK即可创建出B铺层组。

此时虽然创建了B铺层组，但其name和Sequence都与A铺层组相同，需要将其改成B铺层组的编号。鼠标选择功能树上的Ply，在右侧窗口区选择所有 Parent为 B的铺层，右键选择“show select”，窗口中就仅剩B铺层组的铺层。点击窗口上方的STEP让铺层按Step升序排列，全选后右键“modify”进行更改，在name栏输入“PB0010,10”（意为以PB0010开头，按+10递增）,即可将B铺层组的名称改为“PB0010、PB0020、PB0030……”，Sequence栏输入“B”。

3.2.3.2 B铺层与A铺层不完全对称

若B铺层组与A铺层组大部分对称，则可按上节3.2.3.1所示先用对称的方法将B铺层组做出，再对B铺层组进行修改。若B铺层组与A铺层组相差较大，则需按3.1.3所示创建铺层。