飞机复合材料构件模具数字化设计与制造技术解析.doc

飞机复合材料构件模具 数字化设计与制造技术 单位：西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心 中航工业西安飞机工业（集团）有限责任公司? 作者：元振毅 王永军 魏生民 杨选宏 杨绍昌??发布时间：2013-7-3 16:23:12 复合材料的比强度高、比模量大、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳等一系列优点已被世人所共识。航空航天追求性能第一的特点，使其成为先进复合材料技术试验和转化的战场，先进复合材料继铝、钢、钛之后，迅速发展成四大结构材料之一，其用量成为航空航天结构的先进性标志之一[1]。 目前，国外已经实现了复合材料构件的无图设计、制造，全面实现了复合材料的手工设计制造向数字化设计制造的转变；国内这方面还处于起步阶段，部分航空企业将CATIA、FiberSIM等设计软件以及数控下料机、自动铺带机、激光铺层定位仪、大型C扫描等数字化设备应用到了复合材料设计制造过程中，但对复合材料成型模具的数字化设计制造技术重视不够。与常规金属材料成型不同，复合材料构件的成型是材料与结构同时成型的过程，且通常要在模具中完成。制件固化成型后几乎不再作任何加工，其外形尺寸、力学性能以及内部要求等都应满足设计要求，这些都决定了成型模具在复合材料产品制造过程中起着举足轻重的作用。另外，飞机构件外形大多为曲面，蒙皮与长桁等结构的高精度连接配合需要其相应模具加工精度的保障。数字化设计与制造是保障模具加工精度和配合协调的关键。复合材料成型模具数字化设计制造是指将模具的外部形状信息、内部材料组织信息、制造信息、功能信息以及复合材料构件固化变形等因素统一起来，依靠模具数字化设计、数字化仿真分析、数字化制造、数字化检测等方法实现模具的设计与制造，使复合材料构件成型后不需要加工或只需少量加工即可满足设计要求[2]。 复合材料成型模具概述 同金属材料制造相比，复合材料的制造有很大的灵活性。目前树脂基复合材料的成型方法多达20余种。比较常见的有手工成型、缠绕成型、真空袋成型、热压罐成型、热膨胀模塑成型、拉挤成型、模压成型、树脂传递模塑成型（RTM）、喷涂成型等。不同的成型方法对模具的结构形式和模具材料有不同的要求。比较有代表性的模具结构有缠绕成型模具、金属框架式模具、RTM成型模具等。 对于缠绕成型来说，选择适当的芯模对提高复合材料构件成型质量至关重要。合理设计的芯模将使纤维的损伤减至最小且能减小构件尺寸的偏差和残余应力。芯模要求有足够的强度、刚度，且满足精度要求。重复使用的芯模还要保证制件固化后在保持构件和芯模完整性的条件下，芯模和制件能顺利分离[3];金属框架式模具主要用于复合材料热压罐成型，其对模具型板的尺寸精度、表面质量、型板厚度以及模具支撑结构等要求较高，既要满足刚度要求，又要满足其传热要求；RTM成型工艺对上下模具的配合精度、模具表面质量、注射口和排气孔位置、模具密封性以及构件脱模装置等要求较高。 复合材料成型模具数字化设计 1??复合材料工艺数模设计 复合材料工艺数模设计是模具数字化设计制造的基础，是复合材料构件的原始数据，为后续的分析、制造等环节提供数据源头。其建模工作主要包括贴模面设计、建立铺层坐标系、区域和过渡区域的建模、铺层详细设计、铺层分块和展开以及可制造性分析等。 2??复合材料成型模具设计 复合材料构件成型模具结构随工艺方法的变化而变化，典型的是用于热压罐成型的框架式模具，如图1所示。模具通常由上部分的型板和下部分的支撑结构组成，型板制造中要求型面精度高、表面质量好，用来保证复合材料构件成型后的外形符合设计要求；支撑结构用于将工作载荷下支撑型板的变形控制在设计要求范围内，因此要求其具有一定的刚度和强度。支撑结构上通常开有通风口、均风口，保证模具在热压罐内的通风传热性好。框架式模具重量轻、易搬运、通风好，但其制造过程复杂，结构设计合理性要求高。对于飞机大型复合材料壁板的制造，框架式模具可兼顾保证刚度、强度；保证模具通风传热；保证模具运转方便。 传统框架式模具设计方法是工装设计部门根据复合材料构件数模，提取模具成型曲面，进而创建模具型板，模具型板通常比构件外形面要更大一些，用来安放工装夹具等；在模具型板的基础上创建支撑结构,然后在支撑结构合适的位置创建通风口等。这种传统的设计方法较依赖模具设计人员所掌握的知识和经验，例如不同的设计者设计出的框格间距、通风口尺寸、型板厚度等都会有所差异；且设计重复性劳动较多，效率低下。 为了提高复合材料模具的设计效率，避免大量人为的重复性设计工作，充分利用现有的设计知识和经验，提高模具设计质量，缩短设计研制周期，发展复合材料成型模具数字化设计意义重大。近年来，随着数字化技术、网络技术的不断发展,国内外学者对数字化航空钣金模具设计制造技术进行了深入研究[4-5]，但对复合材料成型模具数字化设计制造技术则研究