略论飞机复合材料壁板的设计方案

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1FiberSIM辅助壁板设计

需要总体、强度、材料和工艺等部门提供产品基准、材料信息、结构强度要求等相关设计输入条件；设计部门根据输入条件在CATIA中创建参考要素以支持FiberSMI的设计；在FiberSIM中创建复合材料零件特征；利用FiberSIM工具生成工艺所需要素；在CATIA中完成三维标注；进行评审，如不满足要求，则需重复上述步骤。本文将就FiberSIM辅助机身壁板设计过程中关键设计点展开论述，分析相关参数对复合材料蒙皮制造仿真结果影响。

2坐标系定义

假设飞机的顺航向为X轴，翼展方向为Y轴，高度方向为Z轴。壁板的蒙皮局部参考坐标系应位于曲率较小的区域，x轴选择蒙皮的长方向，y轴选择蒙皮的短方向，以保证模拟铺层铺贴仿真时，纤维变形最小化。

3铺层整合

蒙皮铺层信息是FIBERSIM建模的重要输入条件，所示给出了各个区域的铺层顺序、铺层角度、蒲城数量等信息。蒙皮是基于区域设计的，生成铺层前需根据设计输入条件对蒙皮进行区域划分，铺层特性相同部分将划分为同一区域。

4过渡区域定义

可以定义厚度不同的相邻区域边界的递减或交错样式。根据定义的区域过渡信息生成铺层的边界和排序，因此不需要事先在CATIA中创建各个铺层的边界。此功能可以快速准确定义区域间的铺层过渡，避免手工逐层定义铺层边界，节省设计工时和成本。

5蒙皮仿真分析

铺层纤维偏移角度的限制在铺层仿真时，还需定义铺层纤维角度偏移警告值和限制值。通常该限制值由强度部门根据部件的关键等级、载荷情况和材料属性进行定义。如针对碳纤维织物CYCOM985/HTA强度部门定义的纤维角度偏移警告值为3°，限制值为5°。而材料供应商定义的纤维角度偏移警告值为17°，限制值为33°。由此看来强度给出的数值十分严格，这是源于结构的安全性考虑。纤维间距因子（Fiberspacingfactor）在铺层仿真时，要设置纤维间距因子的数值，数值范围为0~1。数值过大将不能反应真实铺贴情况，数值过小仿真运算时间过长，效率低。中给出不同纤维间距因子仿真结果对比。中区域为纤维偏移距离超过纤维角度偏移限制值，区域表示纤维角度偏移距离介于警告值和限制值之间。区域均表示纤维角度偏移距离警告值以内。实际证明，纤维角度间距因子取0.25时，既符合真实铺贴情况，运算时间又可接收。铺层原点的拾取铺层仿真分析时需要定义铺层铺贴原点，原点位置的选取对分析结果有很大的影响。所示出的是蒙皮某铺层仿真分析原点不同时，造成的不同结果。从中可以看出，原点取在壁板一侧时，壁板另一侧纤维变形过大、区域较大，而将原点取在壁板中间区域时，纤维变形区域则较小。因此进行铺层仿真分析时，需调整铺层原点位置尽量使区域最小化。设计过程中如果发现由于零件形状复杂，没有办法消除仿真时出现的堆积和褶皱等警告区域，可按需设计切口和拼接。FiberSIM中只需定义第一个铺层的切口和拼接，后续铺层可按定义的交错规则自动生成。如果铺层间中需插入新铺层，智能切口和拼接功能可以自动更新，这也使设计得到简化。铺层裁剪和搭接碳纤维织物原材料宽度通常为定值，当蒙皮尺寸较大时，蒙皮铺层需根据实际情况进行裁剪。裁剪后的子铺层之间需进行搭接处理。FIBERSIM可以进行铺层裁剪仿真分析，并生成搭接区。为保证纤维的连续性，搭接区应垂直于纤维方向，搭接量为0.75~1.00in。

6工艺要素生成

自动生成铺层铺贴面可以准确直观地模拟出每个铺层真实铺贴情况，为制造提供直接的工装设计参考面和各个铺层的铺贴模拟曲面。生成铺层截面信息可以很好地显示出该处的铺层顺序、铺层角度、铺层方向，可以辅助生成零件铺层表。生成铺层展开边界可以为制造提供直接的边界参考数据，并可驱动激光投影仪、自动下料机、自动铺带（丝）机等设备。

7结束语

能输出零件重量属性数据，有效支持重量控制，达到结构减重目标。提高产品工艺性。FiberSIM可以生成复杂曲面的铺层平面展开，并可以确定满足铺层边界。还可提供的铺层铺贴面、曲面仿真可靠性高，可满足工艺相关要求。降低设计和制造成本。在设计初期发现并解决设计和制造问题。通过FiberSIM仿真分析可以提早发现、提早解复合材料在后续制造过程中可能出现的工艺问题，降低制造风险、节约成本。

作者：张俊鼎陈斌单位：中航沈飞民用飞机有限责任公司