基于达索系统3DEXPERIENCE平台复合材料数字化设计应用

寂静回声

复合材料的性能与其设计制造工艺密切相关，设计人员要通过使用预浸料和纤维织物制品才能获得想要的结构，因此，设计人员要了解各种纤维及其构造方法的优缺点，并针对它们进行设计，即为复合材料的设计。
而复合材料选用的制造工艺和成型模具是成功制造复合材料构件并保证其经济性的控制因素，即为复合材料的制造。因此，在设计中必须将设计与制造作为一个整体加以综合考虑。
如何利用计算机程序计算各种不同方向铺层组合的性能，从而可以得到最优的设计结果。以及增强纤维的铺层顺序、使用的基体材料确定后，如何在最少成本下进行工艺制造，模具设计，提高单位时间产品产量，分析成型过程中材料内部化学性能变化，是当前复合材料行业数字化应用的重点。
达索系统3DEXPERIENCE平台复合材料数字化应用，主要是通过数字化的手段，来实现复合材料的设计、分析以及工艺数据准备。
达索系统3DEXPERIENCE平台中复合材料设计、分析与制造一体化端到端协同场景包括以下部分：
1. 设计输入；
2. 复合材料设计；
3. 复合材料分析；
4. 复合材料工艺；
5. 复合材料制造；
通过这5个部分数据的传递与相互关联，实现了复合材料的快速设计、验证、工艺与制造。
达索系统3DEXPERIENCE平台的材料库有如下特点：
1. 定义复合材料的类型（单向带、编织布等）；
2. 复合材料的物理、工艺以及力学属性；
3. 复合材料厚度、材料宽度、变形角度、密度等物理属性；
4. 复合材料模量、泊松比、拉伸/压缩强度等强度数据；
5. 材料库完全实现线上保存与调用；
6. 材料库可控更新：一旦上线材料库更新，所有相关零件更新。
完成材料库及复合材料参数定义后，在设计阶段模型主要关注设计产品每个铺层的材料类型、材料厚度、宽度、面密度、便于计算整个铺层、铺层组重量、面积。在仿真阶段模型主要关注物理、力学属性，用于材料强度计算。在工艺阶段模型主要关注铺层的变形角度，各个位置铺层的可铺覆盖性。
在复合材料设计、分析与制造一体化端到端各个协同场景中，材料库都贯穿其中。


复合材料常用的设计方法有，手动法、区域/网格法、实体切片法和Excel导入法；
• 手动法：简单零件，铺层数量较少，灵活的手工选择铺层边界；
• 区域/网格法：可参考几何，划分铺层的厚度区边界，更复合具有装配关系的设计需求；
• 实体切片法：先做出实体造型，再将实体切片成铺层或层压板复合材料；
• Excel导入法：已有铺层表格，确定铺层参考线后，导入表格，自动生成铺层组、序列、铺层；
在初步设计阶段，通过分析产品的几何特征、工艺方案以及历史经验设计数据，可从多种常见的方法确认最佳的设计方案。

网格法设计流程：
1. 添加项目选用的复合材料参数、层压板参数；
2. 基于铺层设计基准面定义面板，面板中添加设计约束条件，约束曲线，约束曲面，基准面等；
3. 生成设计网格，调整网格颜色，网格区域；
4. 生成虚拟堆叠，在虚拟堆叠中定义从上到下各铺层角度，铺层对称；
5. 从虚拟堆叠生成物理铺层组，衰减形式；
6. 铺层审查阶段，通过铺层断面工具，多核心取样功能，评审验证铺层；
7. 优化铺层局部的丢层，定义铺层切角；
8. 生成内型面与实体模型。






复合材料的内型面是指在制造过程中，通过特定工艺形成并保持在复合材料内部的形状和结构。这种内型面通常需要精确控制，以确保最终产品的性能和功能符合设计要求，所以内型面和实体也是复合材料设计阶段最终输出物。
达索系统3DEXPERIENCE平台目前可提供一键式高质量的实体/内型面生成，区别于传统的金属零件繁重的建模过程，通过已有的复合材料信息，可自动生成精准的实体/内型面。
达索系统3DEXPERIENCE平台提供给制造工程师一键将设计模型同步至工艺模型的功能，在工艺模型中保留了与设计模型的关联性，确保数据自设计端到工艺端的唯一一致性，确保准备的数据下发制造。
并且因为制造工程师考虑到模具曲面和复合材料回弹因素等加工因素，制造工程师会将原有的设计曲面切换成制造曲面。切换后的铺层自动按照新的参考曲面自动生成，同时保留工程边界（EEOP）及制造边界（MEOP）。



达索系统3DEXPERIENCE平台使用工程制图模块，可生成复合材料零件详细图纸，也可生成单个料片的展平图（铺层工作表）。

自动铺丝技术是利用计算机控制碳纤维丝束的铺设轨迹，实现对丝束单独控制和施放，甚至可以转弯铺设，从而制造出复杂的曲面部件。这种技术特别适合于大型复杂复合材料构件的自动化成型，如机身、进气道、承力锥、翼身融合体等。
自动铺带技术主要涉及将预浸带通过机械臂控制进行自动化铺设。其基本工作过程包括：将预浸带安装在铺放头中，多轴机械臂对铺带位置进行自动控制，预浸带由一组滚轮导出并加热，在压辊的作用下铺叠到工装或上切割刀按设定好的方向切断预浸带，从而保证铺放的材料与工装的外形相一致。这种技术具有高速度、高精度、高效率和低成本等特点，广泛应用于航空航天领域，尤其适用于大尺寸和复杂构件的制造。
达索系统3DEXPERIENCE平台可基于设计模型数据，支持市场主流的铺丝铺带硬件及仿真软件，可实现如下功能：
1. 在工程设计环境中嵌入高级路径编程工具；
2. 实现铺层自动编程，最小化纤维错位与转动；
3. 纤维铺放过程仿真
编织工艺缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。
平台提供编织工艺过程仿真可提供给设计人员纤维路径编织路径的可视化，并通过优化编织机的工艺参数，获取理论的编织角度；辅助芯轴的定义，保证编织的最终理论外形。
复合材料模压成型是一种通过将预浸料或纤维增强材料放置在模具中，然后在一定的温度和压力下进行加热和加压，使树脂发生固化并形成最终形状的复合材料。这种工艺广泛应用于热固性和热塑性复合材料的生产。
达索系统3DEXPERIENCE平台自带模压成型过程仿真，可实时查看模压工艺过程中纤维褶皱区域位置，分析可解决的方法，同时可以用于模压模具的优化设计。
达索系统3DEXPERIENCE平台为复合材料设计提供了一个以设计过程为中心的解决方案，覆盖整个复合材料产品开发流程，帮助客户一站式建立复合材料产品虚拟研发能力，改变过去以单个工具为主的研发方式，让设计师和制造商减少设计和制造复合材料部件所需时间。其可以帮助企业控制复合材料开发和建设成本，减少制造周期时间和缩短上市时间。