复合材料在航空发动机中的应用FiberSIM

FiberSIM介绍及航空发动机应用1FiberSIM国内外使用现状FiberSIM作为复合材料设计软件已在国内外得到广泛的应用，主要用户在国内外著名的航空航天公司。

1.1国外应用1.1.1FiberSIM 在雷神飞机公司（Raytheon Aircraft）的应用Raytheon Premier I型飞机是雷神公司全新的商用喷气机，是商用喷气机家族中第一个全复合材料机身的飞机。

1）传统设计制造方法传统方法是，工程设计部门为每个复合材料零件定义几何图形和基本的铺层原则，并移交至制造部门，然后进行一系列反复试验过程：●制造工装设备●创建平面展开图样，包括为避免纤维扭曲设计的切断和切口●手工切割数百个纤维铺层●使铺层适合于模具的外形●针对问题调整平面展开样图●重复上述过程直至所有问题得以解决2）FiberSIM的高效解决方案反复试验的过程费时而又浪费材料。

Raytheon工程师选择了VISTAGY,Inc.的FiberSIM来解决遇到的问题：●FiberSIM紧密集成于Raytheon公司的主要设计软件CATIA CAD系统。

●FiberSIM在业界有着优秀的成功记录，如Boeing，Lockheed Martin，BritishAerospace，Sikorsky等等。

●Raytheon公司建立了一个由设计和制造工程师组成的集成产品开发团队。

用FiberSIM软件，设计和制造工程师实时协同地在产品生产前进行铺层设计。

●用CATIA为每个部件建立基本几何图形、结构特性和大致的铺层几何图形。

●用FiberSIM来仿真纤维如何贴合于复杂的外形，无须制作实际模具或切割图样。

对部件的每个铺层，软件会警示难于铺放的区域，黄色表示轻度扭曲、红色表示严重扭曲。

●设计和制造工程师团队立即共同解决这些问题。

对计算机中的虚拟铺层增加拼接，立即观察对零件的影响。

●用这种交互式协同的方法设计复杂的部件，以前需要数周才能解决的问题现在只需几个小时。

3）快速传递到制造过程层几何图形被最终确定后，软件生成每层平面展开图样，直接由FiberSIM输出至排料计算软件，驱动数控切割机加工。

由3D CAD模型直接到切割机的无缝连接使得实现自动化切割成为可能，无须手工对层进行几何图形编程。

无缝转换也极大减少了铺层尺寸或方向的出错可能，也比手工过程降低了材料的浪费。

以软件直观的使用界面，设计者可记录关键的非几何信息如每层的材料、方向和相关标记；跟踪每层的关联属性和位置；创建图例化的车间铺层文档。

4）FiberSIM带来的效果►投放市场时间加快30％：从概念设计到首飞由5年减至3.5年。

►减少重复设计：铺层设计中仅5％需要在车间再次修改，比原先减少了80％。

►更高效的合作：使得设计和制造部门协同工作，节省大量时间和成本。

►更高的精度和可重复性：设计师对所有铺层有更高的控制度以及由FiberSIM 生成的文档都保证了每个零件以精确的相同的方式进行加工。

►降低材料浪费：FiberSIM直接至排料计算软件和自动切割机保证了材料的最佳使用。

图1图示为FiberSIM 可制造性仿真的一个例子。

红色或黄色警示了制造中会出现问题的区域 图 2工程师用FiberSIM 对铺层进行拼接解决了制造问题，FiberSIM 随之为每个铺层创建了平面展开图样1.1.2 FiberSIM 在西科尔斯基飞机公司（Sikorsky Aircraft ）的应用Sikorsky 飞机公司的S-92直升机的复合材料结构的座舱罩，由于采用功能强大的VISTAGY , Inc.的复合材料设计制造软件FiberSIM ，缩减了工程设计制造、样机和工具费用。

1）传统的工程方法限制了高效的国际合作设计大型复合材料部件时，无法在工具试制阶段以前了解铺层设计方案是否可行。

在复杂外形零件上进行纤维铺覆时可能会出现问题，铺层序列不均衡引起铺层应力可能导致褶皱或翘曲；扭曲使材料脱离模具导致不正确的外形、气泡和树脂堆积。

为避免这些问题，采取的保守做法增加了装配及材料的成本和重量。

平均40％的铺层不得不在试制过程中做出修改，因而使得一个典型项目的完成期不得不延长25％。

工期要求紧，Sikorsky 还要和世界范围的制造伙伴进行合作，许多伙伴在制造复杂的复合材料部件方面并无丰富经验。

因此，Sikorsky 决定进一步加大仿真的力度。

2）FiberSIM 将Sikorsky 的仿真带入了崭新的阶段以前在RAH-66 Comanche 直升机上做过一些有限的、基本的仿真工作。

用FiberSIM 可以对复杂外形生成铺层图样，然后输出至激光投影系统。

在一些复杂复合材料部件上，FiberSIM 软件的使用得到了认证。

对S －92，基本数据用CATIA CAD 系统产生。

FiberSIM 完全集成于CATIA 中。

Sikorsky工程师进行铺层定义，用平面展开图样功能对复杂曲率、多曲面铺层生成展开图样。

进行可制造性分析：FiberSIM指出起皱、架桥、材料宽度限制等制造上的问题。

提早发现这些问题可以将再次修改所需的费用减至十分之一到百分之一。

FiberSIM使得工程师指定铺设的起始点和材料的精确方向。

激光投影系统用这些“种子点”和几何图形指导铺层过程。

结果极易控制和重复，零件质量的一致性得到保证。

极大减少了时间和切割展开图样所需的手工操作。

3）高效率、高回报用FiberSIM预先解决了可制造性问题，使产品质量得以保证。

对Sikorsky电子化的初步设计文件，合作伙伴用FiberSIM以相当少的时间完成了详细设计，生成了激光投影和校准数据，将展开图样输出到排料系统和自动切割机。

首件样机近乎完美，在每个主要部件中，紧紧少数铺层需要修改。

例如，仅4％的铺层要修改，而过去则达到40％。

AIDC首件产品部件仅用了11个月，比过去类似部件快了27％。

4）FiberSIM带来的效果►减少了工程修改：仅4％的铺层要修改，而过去需40％。

►减少材料浪费：无须材料的重复切割，避免反复试验。

►投放市场时间提高27％：制造前即可仿真材料性能，节省4个月时间。

►高效的合作：远隔千里的国际制造伙伴间可以高效交流合作。

►更高的精度和可重复性：无论谁来操作，零件的最终结果保持一致。

►降低工装工具成本：有效控制铺层厚度和堆叠，避免了用工装工具进行的补偿。

1.1.3 FiberSIM 在波音公司（Boeing Company ）的应用Boeing 公司在联合攻击战斗机（JSF ）概念样机项目中，采用现代复合材料设计和生产制造等关键技术，显著降低了飞机的重量和成本。

1）传统方法存在的问题波音公司的X-32联合攻击战斗机（JSF ）样机的很多大型部件是用12英寸和24英寸单向碳带复合材料采用手工铺层修正的方法制成，传统复合材料设计和制造方法存在以下问题：很难预先确定零件的哪个区域会发生剪切问题，平面展开图样哪些部位需留出特定的间隙。

结果是设计的初样需要在制造车间大量的反复试验修改才能满足要求。

需花费大量时间才能将碳带铺放在一起，很难完成机翼这样的大型零件。

不能根据力学特性合理安排好各层的交错排列方式并验证是否能维持住这种方式。

2）FiberSIM 的高效过程基于FiberSIM 软件的以下几个优良性能，以及在很多商业和军机设计领域已得到的成功应用，波音公司决定使用FiberSIM 复合材料仿真软件，对石墨纤维零件的可制造性进行评估：FiberSIM 能精确模拟单向碳带的独特材料特性，生成平面展开图样，使波音公司能进行纤维束的搭接间隙分析。

FiberSIM 同波音公司的CATIA CAD 系统完全集成，只需很少的培训工作即可实施。

图3 FiberSIM 自动考虑层合板的厚度，对复杂曲率、多曲面铺层生成展开图样 图 4 FiberSIM 生成的铺层表波音公司工程师开始用CATIA定义模具面，纤维束的位置和边界，蜂窝泡沫芯的位置及其它工程特性。

使用FiberSIM软件组织纤维束铺放，程序自动生成每束的排列，并记录关键的非几何信息，如材料，方向和相关标记，使纤维束在制造过程中能正确的定位。

然后用FiberSIM确定可能引起超过误差的间隙和皱缩的高剪切应力区域。

软件用黄色警示较难铺放的区域，用红色警示最可能发生铺层问题的区域。

然后，程序计算最合适的平面展开图样，使得在制造设计过程中而不是在铺层阶段即可确定展开图样，层间排列方式的可保持性使材料的结构特性得到优化。

3）自动铺层过程●铺层簿、材料表和顺序图表，以前是逐项采用CAD系统和电子表格生成的，FiberSIM对这些文档的自动生成是能使制造设计时间降低50％的首要因素。

●FiberSIM能将三维CAD几何图形直接连接到自动切割和喷涂设备。

●用FiberSIM将平面展开图样输出到排料软件包中排料计算，排料软件生成切割机的数控程序，在节省大量时间的同时又提高了加工的精度和材料的使用率。

●FiberSIM生成的程序控制喷涂机在模具上进行喷涂，简化了碳带的铺层。

自动计算材料的厚度和铺层偏置以消除误差。

4）FiberSIM给波音带来的效益►初始设计时间：节省5％－25％。

►重新设计时间：减少至45％。

►极大降低手工铺层时间►精确的间隙分析：允许材料带的预切割，节省时间和材料。

►全过程控制：复合材料层和带的形状和铺放，消除反复试验过程，提高了产品的质量。

►无缝集成自动切割和喷涂设备：节省时间和材料成本。

1.1.4FiberSIM在庞巴迪航空公司（Bombardier Aerospace）的应用为了降低开发成本，庞巴迪公司评估用仿真手段来设计和制造CRJ700飞机的复合材料零件。

1）传统方法●由庞巴迪的工程设计部门设计每个复合材料零件的整个几何模型和基本的铺层原则，传给工艺部门。

●工艺部门设计平面展开图样，包括避免纤维扭曲所进行的铺层拼接。

●工装工具准备好后，反复试验过程才开始。

手工切割纤维层，在底模上试着排列，产生大量废料。

2）FiberSIM优化铺层设计为打破传统的设计模式，淘汰冗长的反复试验修改过程，由工程部控制整个铺层过程及将零件相关的数据统一到一个CAD文件，他们选择了取得广泛而又成功应用的FiberSIM系列软件。

FiberSIM软件同庞巴迪公司使用的CATIA CAD软件完全集成，避免了CAD数据的转换。

设计工程师用FiberSIM生成平面展开图样以及模拟复杂的铺层过程，并在制造工程师的支持下，可以完全控制铺层设计。

在CRJ700飞机的整流罩设计的早期阶段，基于FiberSIM提供的反馈机制，工程师经过几个小时的反复过程就能完成铺层设计的定义、优化和校验。

这种方法将整流罩的首件铺层时间从60个小时减少到16个小时。

3）使铺层过程更有条理设计者用FiberSIM软件的其它特性来组织层的铺放。