降低先進復合材料工程復雜性的解決方案

隨著復合材料在大型的結構件/裝配件上的應用，需要有更綜合的工程方法來應對復合材料件。這些復雜的復合材料裝配件包含很多零件和連接，并且連接要穿過多個層合板以及有不同的裝配狀態(tài)，這也就需要特殊的設計以及計劃編制工具。
雖然先進復合材料行業(yè)已經成為了一個最具活力的行業(yè)，但是復合材料設計和制造的復雜性不斷地增加。設計、性能和制造的相互依賴性顯著增加，這也就使得設計制造復合材料的流程變得復雜。解決這些問題的關鍵分3 部分：首先最重要的，工程師必須能夠清楚、快速地評價設計更改的效果，并且在工程流程和供應鏈中連續(xù)地實現設計更改；第二，他們不僅要降低不確定性及風險，并且要使用可靠工具來優(yōu)化設計，實現快速設計循環(huán)、消除無價值的設計行為；最后，工藝工程師要能夠使用最先進的技術制造復合材料零件。
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傳統(tǒng)CAD 和PLM 的局限性

常規(guī)的CAD 和PLM 系統(tǒng)不能單獨應對復合材料結構的復雜性，不論該復雜性來源于產品還是工藝。使用這些系統(tǒng)來處理并且管理大型、復雜的復合材料工程問題已被證實是明顯不足的。替代的方法是：在CAD和PLM 系統(tǒng)上創(chuàng)建一個特殊的環(huán)境，通過更有效的創(chuàng)建、分析設計，更好地理解跨學科設計抉擇的影響，能夠降低風險和成本。
如圖1 所示，在CATIA V5 設計進程中，VISTAGY 的FiberSIM® 軟件、應力分析的MSC 軟件SimXpert 有限元模型、用于為自動鋪絲機生成制造數據的CGTech VERICUT 復合材料編程及仿真軟件無縫共享復合材料機身壁板的鋪層信息。



當三維CAD 幫助創(chuàng)建和管理基礎的幾何信息時，另外需增加眾多復雜的復合材料特征對應的專門功能來管理這些特征和幾何的相互依賴性。舉個例子，以下是VISTAGY 軟件用于豐富表述復合材料裝配件帶有特定細節(jié)的CAD 幾何的一些參數：區(qū)域、連接、鋪層、緊固件規(guī)范、丟層、輪廓形式、孔規(guī)范、內型面IML、接合面密封、設計站、供應條件、濕裝配、邊緣距離和檢查特征。 copyright 123456
因此，使用復合材料工程專業(yè)術語的特殊環(huán)境，可以幫助捕捉設計意圖和跟蹤需求，將特征和幾何關聯，管理其中的關系，最后使得復合材料工程師能夠按照他們的方式工作。

并行設計和分析

復合材料工程的一個特殊方面是設計和分析的循環(huán)迭代。傳統(tǒng)的分析工程師和設計工程師的工作在一定程度上是分開的，只是將注意力集中在各自的工作上而不是從全局的角度去考慮問題。
在設計過程中，做設計更改速度慢、困難而且成本高，涉及到大量連續(xù)的過程，這樣也就不方便實現減少產品設計周期的目標，達不到減少返工的次數并保證在預算之內的效果。有很多障礙阻礙了設計和分析更好地協(xié)作。分析工程師考慮材料屬性、工況、應力和應變，而設計工程師考慮的是鋪層邊界、非幾何細節(jié)以及設計規(guī)則。
為了更好地理解哪些因素可能組成復合材料設計與分析領域的一個通用的框架，一個要求是某個工具或者流程必須保留與設計、分析的聯系，同時也要求能夠識別什么組成設計分析的交叉領域、什么關鍵點可能為通用框架提供基礎，允許每個學科能夠并行工作而不沖突。 本文來自123
對復合材料而言，第一個關鍵點是由總體布局曲面和系統(tǒng)線創(chuàng)建的“區(qū)域”或者“分區(qū)”。通常的，“區(qū)域”由系統(tǒng)組提供，由分析組為其提供材料規(guī)范及尺寸數據。這些關鍵的元素不經常改動或者改動不劇烈，可以共享。
當設計師和分析師使用不同的平臺時，通過原始的CAD 接口共享幾何，幾何可以根據設計更改自動響應，這種基于幾何共享的方式使得協(xié)作得到了增強。對于復合材料蒙皮分析師可以直接使用系統(tǒng)線以及區(qū)域分割來創(chuàng)建和控制殼或者膜單元的網格，使用線作為梁或者桿單元以表示加筋元素。區(qū)域和層合板需求能夠很快地返回到設計師。
對物理屬性的指定是并行工作的另一個接觸點。無縫共享詳細鋪層規(guī)范的能力使得設計師更有效率，提高了零件設計確認的準確性及真實性。

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因此，找出基于幾何的更快、更容易的循環(huán)迭代是可能的，這種方式可形成真正的并行流程，使用VISTAGY 的FiberSIM 復合材料軟件以及MSC 的SimXpert 分析軟件作循環(huán)迭代就是該類例證。事實上，MSC 軟件公司和VISTAGY 已經建立起了戰(zhàn)略伙伴關系，以讓復合材料設計和分析形成更好的協(xié)作。圖2 和表1 顯示該小機身壁板含有上千特征并且和幾何關聯，并且大部分特征沒有被捕捉或者保持非幾何特征，如果不使用特殊的環(huán)境（如VISTAGY 公司的復合材料及裝配設計軟件），這些特征是不能被管理以及確認的。

重新定義工程模型

在高性能復合材料行業(yè)，自動化的制造工藝在所有新的商業(yè)飛機計劃中變的普遍起來。面向制造的設計(Design For Manufacture) 的概念已經不是新鮮事了，而復合材料制造工藝也發(fā)展很快。截止到目前，專業(yè)的復合材料設計軟件被大量用于手工鋪層工藝的復合材料制造過程中，因此所有這種方式對于設計的需求是基于鋪層的設計方法，能夠得到可靠的鋪放仿真以及平面展開仿真，并且能夠創(chuàng)建制造輸出和工程圖。當使用自動化的制造設備，復合材料設計軟件關鍵功能會隨之改變。設計模型的細節(jié)內容以及設計和制造的數據傳遞必須重新定義。制造工藝的某些方面可能影響零件或者裝配件的可制造性，而這些必須集成在設計環(huán)境中。一些其他的特定工藝和特定設備的細節(jié)可獨立于制造軟件確定。 內容來自123456
舉個例子，自動化設備的局限性（如最短行程鋪放）包含了設計局限性，該局限性影響鋪層輪廓和交錯形式，或者影響配合零件的腳印區(qū)以及零件的重量。這些局限性作為零件設計的主要參數不能丟給制造工藝部門在線下來處理，因為無法預料的并且昂貴的循環(huán)風險以及無法控制的重復設計使得這些變的不可能。
隨著纖維鋪放設備、鋪帶設備和復合材料CAM 軟件的緊密結合，一種新的需求已經出現，它能夠增強設計環(huán)境，工程師能夠完全定義并且優(yōu)化復合材料零件或者裝配件以適應自動鋪放。



最小行程長度、鋪層錯開原點、最小行程寬度和最小剪斷角度等制造要求是FiberSIM 軟件與制造設備接口的一部分，Fiber SIM 提供了針對自動鋪放設備的接口，可以自動優(yōu)化鋪層設計，生成鋪放數據，如圖3 所示。 123456

復合材料制造企業(yè)傾向于設備獨立的復合材料零件定義，另外的功能可能成為設計環(huán)境的一部分，同時特定設備參數仍是離線的設備編程軟件的一部分。

量化工程的復雜性

在設計中，“工程復雜性”一定程度上可以歸結于特定含義并且可以在一定程度上進行量化。
事實上，我們嘗試著量化大型航空結構復合材料壁板的復雜性。舉個例子，對于一個由桁條和框分割的包含6×8 個島區(qū)的典型商用飛機的的航空壁板，得到如表1 所示的一組統(tǒng)計數字。創(chuàng)建了幾何參考并且保留在CAD 環(huán)境中。細節(jié)的幾何元素手動創(chuàng)建但沒有在三維CAD 環(huán)境中提交并確認。除了幾何數據，對于復合材料蒙皮有11320 個非幾何特征，對于裝配件、緊固件、孔等有48300 個非幾何特征。這些特征不屬于三維CAD 或者PLM 的一部分。另外，這些關系沒有在三維CAD 或者PLM 中捕獲，也沒有在設計意圖中體現。在CAD 和PLM 軟件中有超過90% 的數據沒有捕獲并且沒有有效管理。 本文來自123
使用VISTAGY 的軟件作為復合材料飛機開發(fā)工具，可以100% 的捕獲產品定義并且有效管理，85% 的幾何可以自動創(chuàng)建并且100% 的關鍵特征可以自動的驗證。

設計更改帶來的連續(xù)影響

對于設計流程，設計更改是無處不在的，并且是一定會做設計更改的。那么設計更改的影響是什么呢？考慮機身壁板中蒙皮厚度變化和基礎結構位置移動的連鎖影響。圖4說明的是由于簡單的鋪層的變化帶來的一系列的設計更改。



在工程設計中，這樣的改變可能影響層合板的堆疊、丟層的位置和形狀、內模面的表面、基礎結構配合表面、緊固件規(guī)范，最終影響重量和平衡。在制造中，設計更改可能影響鋪層列表、BOM 材料列表、給供應商的需求包BTP 以及維護和服務文檔。
在制造中，設計更改可能會影響纖維鋪層程序、復合材料平面展開、自動鉆鉚和緊固件程序、激光投影文件和工藝計劃。在模具制造過程中，IML 內型面模具以及基礎結構的模具也可能改變。最終，首件的質量檢驗計劃和其他QA 文檔也可能隨之變化。關聯更改的關鍵問題不是其要更改的項目多，而是在進行更改的過程中容易帶來一些矛盾或者失誤而與整個研發(fā)計劃相背離，對研發(fā)計劃造成不好的后果。要使設計更改完全正確需要有設計、分析、制造和工藝計劃各方面專家的合作，并且在復合材料環(huán)境中完成這種協(xié)同更改的工作。

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從一開始，VISTAGY 緊緊圍繞著智能自動化識別和自動化設計更改管理的需求，已經成功開發(fā)出了幾代復合材料設計和制造軟件。

新技術應對挑戰(zhàn)

在經濟全球化、新興市場涌現以及經濟低迷的情況下，航空復合材料行業(yè)迅速發(fā)展。特別是生產大型和更復雜的復合材料航空結構時，航空復合材料自動化制造技術變得越來越普遍。
航空企業(yè)在設計和制造復合材料零件和裝配件時采用了更加全面綜合的方法。圍繞復合材料設計、工藝以及產品細節(jié)的特殊性，除了CAD、PDM、CAE 之外，還要應用許多有效的復合材料工程工具。設計工程師和制造工程師所要面對的首要問題是他們必須能夠認識并有能力快速適應研發(fā)計劃中不可避免的設計更改，在更改設計的同時還要保證沒有錯誤并且計劃不會推遲，而計劃推遲的耗費是昂貴的。 本文來自123
隨著復合材料的不斷發(fā)展，VISTAGY 及其伙伴正努力創(chuàng)建一個可以使航空企業(yè)及其供應商實現連續(xù)無縫的數據傳遞、規(guī)范設計和制造流程的標準。