CATIAV5復(fù)合材料設(shè)計(jì)

1、 有最好的catia教程CATIA V5復(fù)合材料設(shè)計(jì)介紹了航空復(fù)合材料的應(yīng)用及CATIA 軟件復(fù)合材料設(shè)計(jì)解決方案。包括復(fù)合材料本體的設(shè)計(jì)、DMU/CAE 分析、可制造性分析等等。本文以蜂窩夾層復(fù)合材料為例，介紹了CATIA V5 對(duì)復(fù)合材料從設(shè)計(jì)、分析到制造的全過(guò)程。引言    隨著航空工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用顯得越來(lái)越重要。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，需要考慮諸多的因素，如：多種的材料組合、材料的各向異性、材料的鋪層順序、產(chǎn)品的可制造性等。CATIA V5 為復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供了一整套完整而專業(yè)的解決方案，包括復(fù)合材料本體的設(shè)計(jì)、DMU/CAE 分析

2、、可制造性分析等等。本文以蜂窩夾層復(fù)合材料為例，介紹了CATIA V5 對(duì)復(fù)合材料從設(shè)計(jì)、分析到制造的全過(guò)程。一、蜂窩夾層復(fù)合材料簡(jiǎn)介    蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要由兩層面板(蒙皮)中間夾以蜂窩芯材(夾芯)用膠粘劑膠接構(gòu)成，具有比強(qiáng)度和比剛度高，抗疲勞性能好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有許多特殊功能，如：減震、消音、吸音、吸收和透射電磁波、隔熱以及導(dǎo)流和變流等功能。    因此隨著航空工業(yè)的發(fā)展，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上廣泛應(yīng)用，如：前緣、后緣翼面，襟翼，擾流片，升降舵，方向舵，整流罩，地板，隔板等均為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。  &#

3、160; 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的構(gòu)成包括：（圖1）a) 面板；b) 邊緣閉合件；c) 蜂窩夾芯。    航空蜂窩夾層結(jié)構(gòu)多采用鋁合金板或復(fù)合材料板材作面板，用鋁、芳綸紙或玻璃布蜂窩作夾芯材料，用熱固性膠粘劑通過(guò)加熱加壓的方法將二者粘接成為整體。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件可    按不同的情況分為：    1) 按面板材料：分為復(fù)合材料面板和金屬面板；（本文針對(duì)復(fù)合材料面板）    2) 按夾芯類型：分為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩/泡沫塑料混雜夾層結(jié)構(gòu)；  

4、0; 3) 按蜂窩材料：分為金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和非金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。    二、CATIA V5 復(fù)合材料設(shè)計(jì)    我們將復(fù)合材料的設(shè)計(jì)劃分為：初步設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、加工詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、加工輸出階段等四個(gè)階段（圖2）。    CATIA V5 Composite design(CPD) 復(fù)合材料設(shè)計(jì)以流程為中心，能滿足以上各個(gè)階段的用戶使用需求，為用戶提供完整端到端的復(fù)合材料解決方案。    2.1 復(fù)合材料初步設(shè)計(jì)階段    蜂窩夾層零件復(fù)

5、合材料零件是由支撐面，蜂窩和外表面構(gòu)成（見圖1）；支撐面、外表面分別為鋪層復(fù)合材料鋪層，蜂窩為實(shí)體。因此，在進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)前，我們必須在CATIA 曲面設(shè)計(jì)（GSD）和零件設(shè)計(jì)（PDG）中，準(zhǔn)備相關(guān)的曲面、相關(guān)輪廓線和蜂窩實(shí)體，然后再進(jìn)入到Composite Design中進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)。    在初步設(shè)計(jì)階段，CATIA 復(fù)合材料設(shè)計(jì)（CPD）為用戶提供以下功能：    1. 建立復(fù)合材料庫(kù)，根據(jù)用戶的需求，定義復(fù)合材料屬性，基本參數(shù)包括所屬材料庫(kù)、纖維鋪設(shè)角度、復(fù)合材料有限元屬性等。（圖3）   

6、 2. 選擇定義好的復(fù)合材料庫(kù)、復(fù)合材料屬性（如纖維方向的命名和排序），并且設(shè)置CATIA復(fù)合材料環(huán)境參數(shù)。    3. 根據(jù)已經(jīng)有的支撐面及輪廓定義Zones Group.1（區(qū)域組1）；在Zones Group.1 內(nèi)定義區(qū)域和過(guò)渡區(qū)，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求定義層壓板相關(guān)屬性。（圖4）    4. 分析邊界狀態(tài)（圖5）分析的內(nèi)容包括：     區(qū)域之間的邊界分析，分析結(jié)果如下：    黃色表示區(qū)域外部輪廓。    紅色表示兩個(gè)區(qū)域的連接線

7、。     過(guò)渡區(qū)域之間的邊界分析，分析結(jié)果如下：    綠色表示區(qū)域外輪廓線。    藍(lán)色表示區(qū)域和過(guò)渡區(qū)域的邊界。    藍(lán)綠色表示兩個(gè)過(guò)渡區(qū)的邊界。    5. 根據(jù)分析的結(jié)果，定義強(qiáng)制過(guò)渡點(diǎn)（ITP）；重新進(jìn)行邊界狀態(tài)分析，直到滿足設(shè)計(jì)要求。    6. 根據(jù)區(qū)域組生成頂層表面（圖6），該頂層表面為外表面的參考曲面。    7. 曲面修剪（圖7）  

8、  切換到曲面設(shè)計(jì)（GSD），通過(guò)Trim（修剪）的功能，將頂層表面與蜂窩表面進(jìn)行修剪；    得到蜂窩的外表面。并將相關(guān)的輪廓線重新替換到外表面上。    8. 定義外表面區(qū)域組    返回到復(fù)合材料設(shè)計(jì)，根據(jù)第7 步定義好的外表面及輪廓定義Zones Group.2（區(qū)域組2），在ZonesGroup.2 內(nèi)定義區(qū)域和過(guò)渡區(qū)，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求定義層壓板相關(guān)屬性。（圖8）    9. 分析邊界狀態(tài)    如果不滿足設(shè)計(jì)要求，則定義強(qiáng)制

9、點(diǎn)（ITP），再重新分析直到滿足設(shè)計(jì)要求。    10. 如果滿足設(shè)計(jì)要求，由定義好的區(qū)域組生成鋪層表，鋪層表為Excel 或Text 格式；鋪層表包含層壓板相關(guān)信息：鋪層順序、鋪層、材料、纖維鋪設(shè)方向、幾何基準(zhǔn)、鋪層所在區(qū)域。（圖9）    11. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)整鋪層表，調(diào)整鋪層順序，并且管理層壓板信息直到滿足設(shè)計(jì)要求。    2.2 復(fù)合材料詳細(xì)設(shè)計(jì)階段    初步設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行工程詳細(xì)設(shè)計(jì)，CATIA復(fù)合材料設(shè)計(jì)（CPD）為用戶提供以下功能：（圖10）鋪層生成&#

10、160;復(fù)合材料分析 爆破顯示 工程制圖定義    CPD 中提供三種鋪層的生成方法：    第一種方法是將在初步設(shè)計(jì)階段中定義好的鋪層表或者區(qū)域組，導(dǎo)入到CPD 中直接生成鋪層，過(guò)渡區(qū)鋪層的臺(tái)階系統(tǒng)將自動(dòng)生成。（圖11）     第二種方法是根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段定義好的區(qū)域組，生成整張鋪層和臺(tái)階邊界（ETBS），并且生成帶ETBS 的鋪層表文件（格式為Excel 或者Text）。（圖12）設(shè)計(jì)工程師可根據(jù)臺(tái)階邊界（ETBS）及鋪層文件提供的信息，手工的設(shè)計(jì)修剪鋪層和鋪層臺(tái)階，直

11、到滿足設(shè)計(jì)要求。    設(shè)計(jì)工程師也可以調(diào)整鋪層文件中邊界臺(tái)階（ETBS）參數(shù)和方向，然后再將鋪層文件導(dǎo)入到CPD 中，生成鋪層及鋪層臺(tái)階。    第三種方法是根據(jù)鋪層輪廓，手工生成單一鋪層，這種方法經(jīng)常用于夾層復(fù)合材料蜂窩夾層單一外表面鋪層。（圖13）    1. 生成支撐表面鋪層    將Zones Group.1（區(qū)域組1，支撐面組），生成支撐面鋪層（方法可以參考鋪層的生成方法一或二）。（圖14）    2. 定義蜂窩芯子（圖15）

12、0;   定義鋪層組，命名為Plies Group.2，在Plies Group.2 中選擇蜂窩實(shí)體定義芯子（Core）。    3. 生成外表面鋪層    將Zones Group.2（區(qū)域組2，外表面組）生成外表面鋪層（方法可以參考鋪層的生成方法一或二）。（圖16）    4. 生成鋪層后，進(jìn)行復(fù)合材料分析。    CPD 提供兩種分析方法：    第一種方法可以對(duì)設(shè)計(jì)好的鋪層、鋪層組或鋪層基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字分析（圖17），可以

13、得到以下的分析結(jié)構(gòu)： 所用材料面積 所用材料體積 重量 中心位置 花費(fèi)評(píng)估    并且分析的結(jié)果可以保存在CATIA 結(jié)構(gòu)樹上，也可以將分析結(jié)果輸出。第二種分析方法是取樣點(diǎn)分析CoreSampling Analysis，只需要選擇取樣點(diǎn)就可以得到取樣點(diǎn)處層壓板的特性（圖18）?？梢蕴崛∫韵滦畔ⅲ?#160;取樣點(diǎn)處鋪層的數(shù)量 取樣點(diǎn)處鋪層總厚度 取樣點(diǎn)處層壓板屬性（包括順序、鋪層、夾層件、材料、纖維方向、局部坐標(biāo)）并且分析的結(jié)果可以保存在CATIA 結(jié)構(gòu)樹上，也可以將分析結(jié)果輸出。 &

14、#160;  5. 在鋪層生成和分析完成后，通過(guò)鋪層爆破（Ply Exploder）和電子樣機(jī)空間分析，進(jìn)行鋪層真實(shí)截面顯示。（圖19）    6. 復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供可視化鋪層實(shí)體生成工具，將鋪層生成實(shí)體，這樣設(shè)計(jì)工程師可以真實(shí)了解實(shí)際復(fù)合材料鋪層情況（圖20）；還提供鋪層內(nèi)模曲面（IML ：Inner Mold Line）工具，生成相關(guān)復(fù)合材料模胎曲面。    7. 設(shè)計(jì)工程師不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將復(fù)合材料詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果，直接在CATIA CAE 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元分析，檢查分析設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求；如果不滿足要求

15、，重新進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)，直到最終滿足設(shè)計(jì)要求。（圖21）    8. 設(shè)計(jì)工程師在復(fù)合材料詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品生成二維工程圖。工程圖中可包括鋪層實(shí)體、鋪層截面、展開視圖及其相關(guān)標(biāo)注、鋪層表等。（圖22）    2.3 復(fù)合材料加工詳細(xì)設(shè)計(jì)階段    在工程詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入制造詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。復(fù)合材料設(shè)計(jì)（CPD）為用戶提供以下功能：（圖23） 制造模型定義 制造曲面轉(zhuǎn)換 毛坯尺寸定義 可制造性分析 皺褶裁剪 平面樣圖展開具體的步驟如下：

16、    1. 定義制造模型（圖24）    制造工程師根據(jù)實(shí)際使用的需要，在原始模型上定義制造模型或者定義新的制造模型。在CATIA 結(jié)構(gòu)樹上，Stacking（工程）名字更換為：Stacking（制造）   2. 制造曲面轉(zhuǎn)換    考慮到模具曲面和復(fù)合材料回彈因素等加工因素，制造工程師將原有的設(shè)計(jì)曲面轉(zhuǎn)換為制造曲面。（圖25）    3. 定義毛坯尺寸( 圖26)    制造工程師在定義好制造曲面上，定義兩個(gè)邊界：工程邊界

17、EEOP（The Engineering Edge Of Part）和制造邊界MEOP （The Manufacturing Edge Of Part）。然后根據(jù)制造邊界MEOP 定義復(fù)合材料零件的毛坯尺寸。    4. 可制造性評(píng)估和皺褶修剪    制造工程師將定義好的制造模型，選擇鋪層、選擇種子點(diǎn)、并且指定纖維的徑向和緯向的半徑，進(jìn)行可制造性評(píng)估，分析纖維鋪層在鋪設(shè)過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生皺褶，并且將分析的結(jié)果保存在結(jié)構(gòu)樹上。（圖27）制造工程師根據(jù)評(píng)估的結(jié)果，在容易發(fā)生皺褶的地方，對(duì)鋪層進(jìn)行重新修剪。（圖28）  &

18、#160; 5. 平面樣圖展開    制造工程師將每一個(gè)鋪層在平面上展開，并且可以生成展開的鋪層表（Ply Book），供制造商使用。（圖29）2.4 復(fù)合材料加工輸出    制造工程師將有效的制造信息輸出，Dassault Systemes公司強(qiáng)大的合作伙伴能夠確保所有復(fù)合材料零件的制造。（圖30）制造信息輸出的外部文件為DXF 格式的2D 展開圖和IGES 形式的3D 鋪層和2D 展開圖。（圖31）DS 的合作伙伴為CATIA V5 CPD 提供了完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)； 如Laser Projection 提高生產(chǎn)效率和縮短鋪層時(shí)間

19、，還有以下的復(fù)合材料制造方法：Nesting and Cutting of fabrics, Resin Transfer Molding Simulation, Tape Laying Design and Programming,Fibre Placement Automation。    三、CATIA V5 復(fù)合材料設(shè)計(jì)的價(jià)值    CATIA V5 Composite design(CPD) 復(fù)合材料設(shè)計(jì)以流程為中心，能滿足以上各個(gè)階段的用戶使用需求。設(shè)計(jì)工程師在初步設(shè)計(jì)階段，也能考慮到產(chǎn)品的可制造性。比如在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)

20、計(jì)工程師通過(guò)的可制造性檢查，及時(shí)地預(yù)測(cè)采用什么樣的復(fù)合材料才能滿足復(fù)雜的曲面特性；通過(guò)可視化的纖維方向，預(yù)測(cè)在制造過(guò)程可能出現(xiàn)的起皺或凸起；從而使設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)階段就及時(shí)地考慮到產(chǎn)品的可制造性。強(qiáng)大的工程同步功能，能夠使工程設(shè)計(jì)與制造同步，使制造工程師更緊密地與設(shè)計(jì)工程師合作。    CATIA V5 CPD 與其它的V5 產(chǎn)品相結(jié)合，在保持?jǐn)?shù)據(jù)格式唯一性的前提下進(jìn)行多學(xué)科的協(xié)同設(shè)計(jì)，從而為復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供了全面的設(shè)計(jì)手段，加速產(chǎn)品的創(chuàng)新。 通過(guò)CATIA 的有限元分析模塊，如GPS，F(xiàn)MS 對(duì)復(fù)合材料零件進(jìn)行有限元分析，無(wú)須數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和重構(gòu)； 通過(guò)CATIA 的DMU 模塊，在電子樣機(jī)下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)； 通過(guò)CATIA 的NC 模塊，進(jìn)行加工分析和驗(yàn)證； 通過(guò)CATIA 的知識(shí)工程模塊，進(jìn)行知識(shí)的捕獲和重用，并建立企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)庫(kù)，提高設(shè)計(jì)效率。CATIA V5 CPD 可以滿足不同的復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)要求，這些工藝包括： 手糊成型工藝（Fabric hand lay-up process） 鋪帶工藝（手工和自動(dòng)）（Tape laying process :