浅谈飞机壁板材料中运用的新型材料

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1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。

2铺层整合蒙皮

铺层信息是建模的重要输入条件，如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。

3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。

4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。图3中给出不同纤维间距因子仿真结果对比。图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。从图中可以看出，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。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。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。

5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结束语在飞机复合材料壁板设计中具有以下优点：提高设计效率。软件可以快速的对铺层进行分析和调整，提高设计和制造效率。同时还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。可以生成复杂曲面的铺层平面展开图，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