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FiberSIM在復合材料部件 字化設計制造中的應用

飛機換代最突出的體現就是對飛機性能要求的不斷提高，包括減輕結構重量，降低巡航阻力，增大航程；減少結構疲勞損壞，延長使用壽命；降低制造成本和維護費用。這些要求決定了飛機減重的迫切性，使航空部件材料和結構的選擇成為提高飛機性能的關鍵因素。
復合材料具有比強度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性以及材料性能可設計的特點，應用于航空領域中，可以獲得顯著的減重效益，并改善結構性能。目前，復合材料技術已成為影響飛機發展的關鍵技術之一，逐漸應用于飛機結構的主承力構件中，可達到減重20%～30%的效果。因此，它在航空航天領域的應用日益廣泛，已迅速發展成為包括鋁、鋼、鈦在內的四大航空航天結構材料之一。
除減重外，復合材料還具有更好的耐久性，可降低使用維護成本。在人類有動力飛行進入第二個百年之后，復合材料開始“領跑”飛機設計技術，成為“航空航天結構的未來”。
復合材料設計制造技術的發展
傳統復合材料設計和制造過程是分別進行的。對于復雜的結構，通常較難確定滿足鋪層邊界要求的準確平面展開圖樣，為避免材料的扭曲變形，需要在制造車間大量地反復試驗修改，造成了貴重材料的浪費和大量的車間返工；同時將碳纖維鋪放在一起需花費大量時間（鋪完一個機翼壁板鋪層大約需要90～120min），這在一定程度上反映了制造機翼這樣的大型零件所要面臨的挑戰。
現在，這些問題由于采用了新的復合材料設計制造關鍵技術而得以解決。
(1)設計與制造一體化技術。
隨著計算機和制造技術的進步，復合材料設計制造技術可采用全新的設計理念和手段，將設計和制造融為一體，將程序化的軟件用于生產制造中，使制造中的問題在設計初期階段就能加以考慮，從而加快產品研制進度，提高質量，降低成本。
（2）大面積整體成形技術。
以共固化/共膠接（Cocured/Cobonded）和無緊固件（Fastenerless）為核心的整體成形技術，采用大面積整體成形，少用或不用緊固件，減少了零件數目，減輕了重量，降低了連接、裝配和制造的成本。

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（4）將FiberSIM生成的包括層合板信息的數據輸入到下料機和噴涂設備。這種設計與制造設備的無縫連接，保證了設計模型與制造產品的一致性。FiberSIM將平面展開圖樣輸出到優化排料軟件包中，排料軟件生成下料機的數控程序，對制造過程進行優化，在節省大量時間的同時，提高了加工的精度和材料的使用率。FiberSIM生成的程序控制噴涂機在模具上進行層的形狀和邊界的噴涂，對層的鋪放進行定位，簡化了碳纖維的鋪放過程。
采用新的技術和軟件來設計和制造復合材料部件后，波音公司節省了5％～25％的初始設計時間，減少了45％的反復設計修改時間，極大降低了手工鋪層時間（鋪完一個層從90min減到45min），全過程控制復合材料層和帶的形狀和鋪放，消除反復試驗過程，提高了產品的質量。
2 在X-35樣機研制中的應用
飛機的進氣道為形狀復雜的大型多曲度管狀零件，用復合材料體系成型困難，所以多采用鋁金屬材料。在JSF樣機X-35的設計中，大量采用了復合材料部件，例如進氣道，該部件幾何形狀復雜，鋪層時常有扭曲的趨勢，纖維方向的偏移將降低零件的整體性能，在一些區域內鋪層會聚成一團發生皺縮。洛克希德·馬丁公司決定將FiberSIM專用復合材料設計制造軟件用于JSF進氣道的驗證上，繼而應用到其他的零件中。
FiberSIM軟件在鋪層的設計階段仿真層的鋪放過程，根據這些信息，優化層的設計，直接對鋪層加切口或拼接，軟件會計算并顯示出層鋪放的結果，達到要求后，便完成了鋪層幾何定義，將材料的扭曲降至公差范圍內，消除起皺和開裂現象。設計好鋪層的幾何參數后，FiberSIM軟件自動生成層的平面展開圖樣。在制造階段，軟件將各層展開圖樣輸出到數控切割設備。三維模型與切割設備無縫連接，實現切割自動化。同時這種無縫連接方式降低了造成層大小和方向出錯的可能。由于FiberSIM軟件生成了平面展開圖樣，排料軟件在機床上優化組合各層的位置，極大地降低了廢料的產生。自動化切割替代了手工切割，在提高產品質量的同時，節約了大量的材料和成本。
利用FiberSIM軟件，生成激光投影系統（LPS）所需的三維層邊界、孔、拼接和標記的數據。激光投影系統讀取這些數據，在模具上投影出層的邊界。技師們按照連續的激光投影線放置層。將FiberSIM軟件應用到輔助進氣道后，設計時間從300h減少到150h，制造時間從450h減少到200h。洛克西德·馬丁公司利用FiberSIM軟件不僅節約了大量的時間，而且將不合格樣品率降至最低，提高了產品質量和可靠性。

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FiberSIM軟件已成功用于商用和軍用飛機的設計，能夠完成復合材料部件的可制造性評估，精確模擬纖維的材料特性，生成平面展開圖樣，完成復合材料部件的分析、設計和制造，對層合板進行驗證。將三維幾何模型與層合板的設計聯系起來，并將層合板的設計信息與有限元分析軟件和制造設備形成無縫連接，可實現制造過程自動化，降低制造成本。
FiberSIM在飛機復合材料部件數字化設計制造中的應用
復合材料的性能很好地滿足了當代新型飛機的相應需求。在美國先進聯合攻擊戰斗機JSF的研制中，波音和洛克希德·馬丁公司都分別使用了大量的復合材料構件，對這兩家公司都是一大挑戰。他們引進了FiberSIM軟件，采用新的技術手段，利用先進的數字化設計制造技術滿足聯合攻擊戰斗機（JSF）苛刻的強度要求、成本目標和重量標準，克服了傳統復合材料設計制造中的困難，充分體現了新世紀復合材料構件低成本技術的發展水平。
1 在X-32樣機研制中的應用
從應用領域來看，碳纖維復合材料主要用于航空航天等領域，波音公司在制造聯合攻擊戰斗機樣機X-32的很多大型部件時，就設計采用了單向碳纖維復合材料。并選用了FiberSIM專用復合材料設計和制造軟件和鋪層方法來滿足JSF部件使用性能的要求。
下面是波音公司復合材料部件的數字化設計制造過程。
（1）波音公司工程師用CATIA定義模具面、層的位置和邊界、泡沫夾芯的位置等。
FiberSIM軟件將層管理起來，為每個層自動生成一個表格，記錄非幾何信息，如材料、方向和順序，并將這些信息與層的幾何邊界、相關的標記等聯系起來，確保層在制造過程中能正確定位。
（2）在初步設計階段，進行層制造可行性分析，軟件將顯示出在鋪層時可能發生制造問題的區域，對層的設計進行優化，并計算層的平面展開圖樣。FiberSIM在設計階段而不是在鋪層階段生成層的展開圖樣，并優化層間的錯列方式，提高了材料的結構特性，避免了反復設計的過程，節省了材料，大大降低了成本。
（3）利用FiberSIM軟件文檔功能，生成鋪層圖、鋪層表、材料表和序列表。與原來使用CAD系統和電子表格生成這些文檔相比，FiberSIM更加自動化，從而使設計時間降低了約50％。

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（3）低成本的制造技術。
先進復合材料自60年代中期問世以來，在軍用、民用領域的應用均得到飛速的發展。但復合材料的成本，特別是制造成本較高，成為復合材料進一步應用推廣的主要障礙之一。該問題已引起世界各國的普遍重視，特別是以美國為首的西方發達國家紛紛制定低成本的復合材料發展研究計劃，努力實踐，并已取得較大進展。目前，低成本復合材料技術已成為全世界復合材料發展研究領域的一個核心課題。
復合材料制造成本約占復合材料成本的80%～85%，所以低成本復合材料技術中關鍵是低成本的制造技術。采用復合材料數字化設計制造技術，能最大限度地節省時間和勞動力，速度較手工提高了10倍；同時能節省原材料，提高制件精度和質量，從而降低了制造成本。
FiberSIM復合材料設計制造軟件
FiberSIM是一個可以實現復合材料數字化設計制造一體化的軟件，它與CAD軟件緊密集成，實現了設計和分析自動化，生成制造工程信息和驅動激光投影儀、自動切割機、纖維鋪放設備的數據，覆蓋復合材料整個工藝設計過程，為復合材料的設計和制造提供全面的解決方案，適應了復合材料設計制造技術的發展要求。

FiberSIM設計制造一體化環