隨著復(fù)合材料在大型的結(jié)構(gòu)件/裝配件上的應(yīng)用，需要有更綜合的工程方法來應(yīng)對復(fù)合材料件。這些復(fù)雜的復(fù)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(shè)計以及計劃編制工具。
雖然先進復(fù)合材料行業(yè)已經(jīng)成為了一個最具活力的行業(yè)，但是復(fù)合材料設(shè)計和制造的復(fù)雜性不斷地增加。設(shè)計、性能和制造的相互依賴性顯著增加，這也就使得設(shè)計制造復(fù)合材料的流程變得復(fù)雜。解決這些問題的關(guān)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(shè)計更改的效果，并且在工程流程和供應(yīng)鏈中連續(xù)地實現(xiàn)設(shè)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(shè)計，實現(xiàn)快速設(shè)計循環(huán)、消除無價值的設(shè)計行為；最后，工藝工程師要能夠使用最先進的技術(shù)制造復(fù)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(yīng)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不論該復(fù)雜性來源于產(chǎn)品還是工藝。使用這些系統(tǒng)來處理并且管理大型、復(fù)雜的復(fù)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(shè)計，更好地理解跨學科設(shè)計抉擇的影響，能夠降低風險和成本。
如圖1 所示，在CATIA V5 設(shè)計進程中，VISTAGY 的FiberSIM® 軟件、應(yīng)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(shù)據(jù)的CGTech VERICUT 復(fù)合材料編程及仿真軟件無縫共享復(fù)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(chǔ)的幾何信息時，另外需增加眾多復(fù)雜的復(fù)合材料特征對應(yīng)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(fù)合材料裝配件帶有特定細節(jié)的CAD 幾何的一些參數(shù)：區(qū)域、連接、鋪層、緊固件規(guī)范、丟層、輪廓形式、孔規(guī)范、內(nèi)型面IML、接合面密封、設(shè)計站、供應(yīng)條件、濕裝配、邊緣距離和檢查特征。 copyright 123456
因此，使用復(fù)合材料工程專業(yè)術(shù)語的特殊環(huán)境，可以幫助捕捉設(shè)計意圖和跟蹤需求，將特征和幾何關(guān)聯(lián)，管理其中的關(guān)系，最后使得復(fù)合材料工程師能夠按照他們的方式工作。

并行設(shè)計和分析

復(fù)合材料工程的一個特殊方面是設(shè)計和分析的循環(huán)迭代。傳統(tǒng)的分析工程師和設(shè)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(shè)計過程中，做設(shè)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(xiàn)減少產(chǎn)品設(shè)計周期的目標，達不到減少返工的次數(shù)并保證在預(yù)算之內(nèi)的效果。有很多障礙阻礙了設(shè)計和分析更好地協(xié)作。分析工程師考慮材料屬性、工況、應(yīng)力和應(yīng)變，而設(shè)計工程師考慮的是鋪層邊界、非幾何細節(jié)以及設(shè)計規(guī)則。
為了更好地理解哪些因素可能組成復(fù)合材料設(shè)計與分析領(lǐng)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(shè)計、分析的聯(lián)系，同時也要求能夠識別什么組成設(shè)計分析的交叉領(lǐng)域、什么關(guān)鍵點可能為通用框架提供基礎(chǔ)，允許每個學科能夠并行工作而不沖突。 本文來自123
對復(fù)合材料而言，第一個關(guān)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(shù)據(jù)。這些關(guān)鍵的元素不經(jīng)常改動或者改動不劇烈，可以共享。
當設(shè)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(jù)設(shè)計更改自動響應(yīng)，這種基于幾何共享的方式使得協(xié)作得到了增強。對于復(fù)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(wǎng)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(shè)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(shè)計師更有效率，提高了零件設(shè)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(fù)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(jīng)建立起了戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，以讓復(fù)合材料設(shè)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(guān)聯(lián)，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(fù)合材料及裝配設(shè)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(fù)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(shè)計(Design For Manufacture) 的概念已經(jīng)不是新鮮事了，而復(fù)合材料制造工藝也發(fā)展很快。截止到目前，專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計軟件被大量用于手工鋪層工藝的復(fù)合材料制造過程中，因此所有這種方式對于設(shè)計的需求是基于鋪層的設(shè)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(shè)備，復(fù)合材料設(shè)計軟件關(guān)鍵功能會隨之改變。設(shè)計模型的細節(jié)內(nèi)容以及設(shè)計和制造的數(shù)據(jù)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(shè)計環(huán)境中。一些其他的特定工藝和特定設(shè)備的細節(jié)可獨立于制造軟件確定。 內(nèi)容來自123456
舉個例子，自動化設(shè)備的局限性（如最短行程鋪放）包含了設(shè)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(shè)計的主要參數(shù)不能丟給制造工藝部門在線下來處理，因為無法預(yù)料的并且昂貴的循環(huán)風險以及無法控制的重復(fù)設(shè)計使得這些變的不可能。
隨著纖維鋪放設(shè)備、鋪帶設(shè)備和復(fù)合材料CAM 軟件的緊密結(jié)合，一種新的需求已經(jīng)出現(xiàn)，它能夠增強設(shè)計環(huán)境，工程師能夠完全定義并且優(yōu)化復(fù)合材料零件或者裝配件以適應(yīng)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(shè)備接口的一部分，F(xiàn)iber SIM 提供了針對自動鋪放設(shè)備的接口，可以自動優(yōu)化鋪層設(shè)計，生成鋪放數(shù)據(jù)，如圖3 所示。 123456

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

量化工程的復(fù)雜性

在設(shè)計中，“工程復(fù)雜性”一定程度上可以歸結(jié)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(jié)構(gòu)復(fù)合材料壁板的復(fù)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(shù)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(shù)據(jù)，對于復(fù)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(guān)系沒有在三維CAD 或者PLM 中捕獲，也沒有在設(shè)計意圖中體現(xiàn)。在CAD 和PLM 軟件中有超過90% 的數(shù)據(jù)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(fù)合材料飛機開發(fā)工具，可以100% 的捕獲產(chǎn)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(guān)鍵特征可以自動的驗證。

設(shè)計更改帶來的連續(xù)影響

對于設(shè)計流程，設(shè)計更改是無處不在的，并且是一定會做設(shè)計更改的。那么設(shè)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(chǔ)結(jié)構(gòu)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(shè)計更改。



在工程設(shè)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(nèi)模面的表面、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)配合表面、緊固件規(guī)范，最終影響重量和平衡。在制造中，設(shè)計更改可能影響鋪層列表、BOM 材料列表、給供應(yīng)商的需求包BTP 以及維護和服務(wù)文檔。
在制造中，設(shè)計更改可能會影響纖維鋪層程序、復(fù)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(nèi)型面模具以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的模具也可能改變。最終，首件的質(zhì)量檢驗計劃和其他QA 文檔也可能隨之變化。關(guān)聯(lián)更改的關(guān)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(shè)計更改完全正確需要有設(shè)計、分析、制造和工藝計劃各方面專家的合作，并且在復(fù)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(shè)計更改管理的需求，已經(jīng)成功開發(fā)出了幾代復(fù)合材料設(shè)計和制造軟件。

新技術(shù)應(yīng)對挑戰(zhàn)

在經(jīng)濟全球化、新興市場涌現(xiàn)以及經(jīng)濟低迷的情況下，航空復(fù)合材料行業(yè)迅速發(fā)展。特別是生產(chǎn)大型和更復(fù)雜的復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)時，航空復(fù)合材料自動化制造技術(shù)變得越來越普遍。
航空企業(yè)在設(shè)計和制造復(fù)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(fù)合材料設(shè)計、工藝以及產(chǎn)品細節(jié)的特殊性，除了CAD、PDM、CAE 之外，還要應(yīng)用許多有效的復(fù)合材料工程工具。設(shè)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(yīng)研發(fā)計劃中不可避免的設(shè)計更改，在更改設(shè)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(fù)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(yīng)商實現(xiàn)連續(xù)無縫的數(shù)據(jù)傳遞、規(guī)范設(shè)計和制造流程的標準。