复合材料构件成型模具设计方法

第41卷第6期南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Vo l. 41N o. 6

　　　　　　　　2009年12月　Dec. 2009Journal of Nanjing U niversity of Aero nautics &Astronautics

复合材料构件成型模具设计方法

李桂东　周来水

(南京航空航天大学机电学院, 南京, 210016)

摘要:树脂基纤维增强复合材料构件成型模具根据其材料可分为金属模和复合材料模, 金属模利用数控加工方式制造, 复合材料模利用过渡模铺帖成型, 因其特殊的结构和工艺性, 其设计过程和方法有别于普通的机械零件成型模具。本文分析了复合材料构件模具结构及现有设计存在的问题, 采用数字化设计的方法和流程, 解决了成型曲面的可加工性检测、成型曲面的整体偏置以及模具支架的参数化设计等关键技术, 开发了相应的设计系统。关键词:复合材料构件; 模具设计; 数字化设计; 参数化设计

中图分类号:T P391　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1005-2615(2009) 06-0777-06

Design Method for Composite Component Mold

L i Guid ong , Zhou L aishui

(Colleg e of M echanical and Electrica l Engineer ing , N anjing U niv ersity

of A ero naut ics &A stro naut ics , N anjing , 210016, China )

Abstract :T he resin matrix fiber-reinforced com posite co mpo nent mo ld can be divided into the metal mold and the com posite mold based on its material. T he m etal mold can be manufactur ed by machining

and the composite mo ld is form ed by the transition mold . T he design process and the desig n m ethod are different fr om the g eneral forming die of the m echanical part because of its special structur es and m anu-facturability. In this paper, the structure of the mold and the present design problem are analy zed. The dig ital desig n metho d and its pro cess are used , and the key technolog ies ar e solved :checking of machin-ability for the mo lding sur face , a ho listic o ffset method o f the m olding surface and par am etric desig n model of the m old support. Finally, a design system is developed based on the pro posed methodo logies. Key words :composite components; mold design; digital design; parametrizatio n desig n 　　复合材料是一种具有高强度、高刚性以及具有良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点的新型材料, 已经广泛应用于航空航天企业。在国内飞机制造业中, 复合材料构件的设计制造大多仍沿用传统的模拟量尺寸传递体系。随着计算机技术的发展, 数字化设计技术在飞机制造领域备受关注, 国内航空企业虽然对利用数字化技术实现“无纸化”生产进行了相应的摸索和实践[1], 但与国外相比还存在一定的差距, 美国波音公司在波音777型飞机型号研制中采用数字化技术, 使研制周期缩短50%, 出

错返工率减少75%, 成本降低25%, 已经成为数字化设计制造技术在飞机研制中应用的标志和里程碑。

模具是复合材料构件制造用的主要工艺装备, 用以确定制件形状、结构关系、控制外缘和获得良好的表面质量, 在模具上完成复合材料聚合固化, 有时还在成形模上进行预浸料的铺叠, 复合材料模具的设计制造对复合材料构件的产品质量影响较大, 要求模具的设计合理。国内外学者对普通的机械零件成型模具CAD /CAM 技术进行了深入的

[3]

[2]

　基金项目:国家自然科学基金(60673026) 资助项目; 教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目。　收稿日期:2008-12-15; 修订日期:2009-06-26

　作者简介:李桂东, 男, 博士研究生, 1982年12月生; 周来水(联系人) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:zlsm e@nuaa. edu.

778

南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第41卷

研究[4-5], 而未见对复合材料构件成型模具的CAD /CAM 技术的研究。复合材料构件成型模具根据其材料可分为金属模和复合材料模, 因其特殊的结构及工艺, 本文结合企业的实际需求, 以典型的复合材料构件成型模具结构为研究对象, 研究了现有模具设计过程中存在的问题, 提出了改进的设计方法, 将复合材料构件成型模具设计分为3个阶段进行:成型曲面的检测, 模具体的设计, 模具支架的参数化设计, 并开发了相应的设计系统。

的设计原始依据是飞机构件的外形曲面, 模具的设计过程受上游数据的影响较大。现有的设计中, 设计者没有对上游曲面数据进行客观的评价, 往往只有在制造的过程中才能发现产品数据的不足, 出现加工迭代的现象, 造成资源浪费。本文结合并行工程及可制造性的设计思想, 在设计阶段能根据现有的资源条件等, 对接收的产品曲面数据进行综合评价, 辅助设计者合理地作出判断, 对产品数据的不足及时地进行修改, 满足要求。

复合材料构件模具体设计的主要工作是对成型曲面的偏置, 成型曲面是大量的曲面片拼接而成的, 其特征非常复杂, 在对复合材料构件模具体设计过程中, 对成型曲面进行偏置时, 存在局部因曲率过大而无法整体偏置的问题, 使得设计人员不得不将原始曲面进行拆分, 而分别对曲面片进行单独偏置, 然后将所得的偏置曲面按要求进行拼接。这样不仅改变了原始的设计数据, 使得设计结果有较大的偏差, 往往需要设计员进行无数次的反复尝试, 才能得到合理的解, 而且对曲面的处理, 本身就是很复杂的过程, 依靠人工的手段, 质量得不到保证, 而且降低了设计效率。本文在满足误差的前提下, 提出了基于误差约束的复杂曲面整体偏置方法。

型架板结构的设计过程中, 设计者对每一个结构的设计都从草图进行, 设计步骤烦琐, 设计效率低下, 依赖设计人员所掌握的知识和经验, 不同背景的设计人员所设计的产品模型差异很大, 不能满足产品规范性的要求。通过对大量复合材料构件模具的总结, 发现其型架板结构大同小异, 本文利用参数化设计手段对其进行标准化, 建立其参数化设计模型, 设计者只需对给定的几组参数进行赋值, 便可以生成满足条件的型架板结构, 减少设计者的大量而烦琐的重复绘图工作, 提高设计效率。

1　典型复合材料构件模具结构分析

复合材料构件成型模具的结构随着工艺方法的变化而变化, 比较有代表性的是真空袋(热压灌成形方法的模具) , 如图1所示为薄板框架式模具的结构示意图, 包括用于铺帖复合材料成型模具的过渡模, 其结构设计包含的基本内容有以下几个方面:模具型面要具有较高的精度, 这是复合材料构件成型的基本依据; 如果模具体是金属模, 其型面需采用数控加工, 在设计过程中应满足加工的具体要求, 如果是用复合材料(通常使用纤维增强树脂) 来做模具体, 在国内大都采用人工铺帖成型的方式进行制造, 型板架大都是金属管材或角材组成的框架, 其通过数控加工的方式制造的, 在设计过程中要考虑到铺帖成型的模具体要在允许的误差范围内, 才能保证成型模具体与型板架成功装配, 保证模具体的精度。此外, 型架板结构主要考虑保证在加温时模具体不易变形, 而且使得空气流在模具体

上下表面任意流动。

3　成型曲面的检测方法

复合材料构件因其特殊的结构, 其成型表面是通过大量的曲面片拼接而成的, 表面质量较差, 因此进行模具设计, 特别是以数控加工方式加工的产

1. 成型模具; 2. 过渡模具; 3. 型板架加强结构; 4. 成型模具体; 5. 过渡模挡板; 6. 过渡模具体; 7. 叉车口; 8. 模具底座; 9. 产品成型曲面

图1　成型模具结构示意图

品时, 必须要对成型面进行可加工性检测, 判断成型面在企业现有的加工资源条件下能否高效加工出合格的产品。本文考虑影响成型面可制造性的因素包括:加工难度、加工设备、刀具、装夹方式等, 并将这些因素映射为成型面的几何特征属性, 使设计者在设计过程中能根据几何特征合理判断其可加2　现有设计存在的问题

第6期李桂东, 等:复合材料构件成型模具设计方法

　779

测方法, 本文简述如下。

3. 1　成型曲面几何特征属性的提取

影响模具可加工性的属性可分为产品属性层、过渡属性层和用户属性层。产品属性层指影响其可

加工性的总体属性, 用A 表示。过渡属性层指由产品属性向用户属性过渡的中间属性集合, 其可分为成型曲面的几何形状属性G , 现有的制造资源属性S 以及模具几何属性P 。根据成型曲面特征对加工工艺性的影响的不同, 将成型曲面的几何形状属性可进一步分为局部特征属性Q (如曲面上某点的曲率、曲面的凹凸性等) , 和整体特征属性Z (如曲面是否为单值曲面等) 。制造资源属性可进一步分为加工设备属性E , 刀具属性C , 装夹属性F 等。模具的几何属性主要是指模具几何特征对成型曲面的加工工艺性产生影响的属性, 如在数控加工, 是否以模具上的某特征作为加工成型曲面的定位基准, 将会影响成型曲面的加工工艺性。本文主要考虑在设计模具时, 将加工成型曲面的装夹定位的基准设计为模具的局部特征, 即将设计基准和定位基准定义为同一基准, 简化模具的设计步骤和装夹的工艺, 称为模具的基准属性B 。它们之间的层次映射关系为A ={G , S , P }={Q , Z , E , C , F , B }, 各属性的层次化树状结构如图2所示, 用户最终只需关注用户属性层的属性,

简化后续的设计与计算。

闭角, 称对复杂曲面的闭角评价。

引入几何特征属性评价值的概念, 定义几何特征属性评价值为模具几何特征属性对其可加工性的影响程度的数值描述, 用P A 来表示, 其值为[-1, 1]之间的数值, 下标A 表示产品属性, 例如P QC 表示属性Q 和属性C 的可加工性评价值。对于不可用数值表达的属性合称为语值属性, 对语值属性不同的定义表达反映人们对被定义属性的要求与理解, 定义语值集合T 为:{‘差’, ‘一般’, ‘好’, ‘非常好’}, 对应[-1, 1]之间的评价值。决策者可根据自己的喜好修改和重新定义语值集合及其对应关系, 合理的判断出成型曲面可加工性。3. 3　成型曲面可加工性多属性的总体评价

产品的总体要求是由一系列对单一属性的要求所组成的, 这些要求既具有独立性又相互关联, 共同影响成型曲面可加工性。在解决工程问题中, 当某一属性绝对不满足产品要求时, 无论方案的其他属性如何, 此方案都绝对不满足产品要求, 既要同时考虑各属性的重要性, 但决策的制定应主要依据较为重要的属性[7]。根据以上的分析, 在对成型曲面进行可加工性评价时, 结合工程系统论的体系化分解处理思想, 则可建立成型曲面可加工性多属性总体评价值为

-1

P =

4

Any (X )

4

∑W X

i

i =1

其中:X ∈{P Q C , P Z , P FB , P E };

∑W

i =1

i

=1; Any (X )

表示任何某一属性的取值; All (X ) 表示所有属性的取值; W i 表示第i 个属性评价值对总体评价值的影

图2　产品属性层次化树状结构图

响因子。最后根据总体评价值P 及其与语值属性的映射关系, 辅助决策者做出相应的判断。对于不合理的曲面, 返回重新设计, 在模具体设计以前就合理判断成型曲面的可加工性, 保证后续设计的有效性。

3. 2　成型曲面特征属性的可加工性的评价

根据对成型曲面特征属性的提取, 针对用户属性层各属性的几何特征, 将影响成型曲面可加工性的曲面几何特征与模具的几何特征数值属性评价分为成型曲面的曲率评价、成型曲面闭角的评价、

成型曲面单值性的评价、以及成型曲面水平度评价。复杂曲面曲率的评价是对属性Q 和属性C 的评价, 将其属性映射为判断曲面上点的曲率是否满足加工要求。复杂曲面单值性的评价是对属性Z 和对属性E 的评价, 将其属性映射为判断加工曲面是否为单值的。对于属性F 和属性B 的评价, 将其映射为计算曲面的水平度, 称对曲面水平度的评价。对, 4　复合材料构件模具体的设计

在以上对成型曲面的可加工性评价的基础上, 在设计复合材料构件模具体过程中, 需要考虑到模具体的加工过程中的实际情况, 即:过渡模具体是通过数控加工的, 成型模具体是通过过渡模进行铺贴成型的, 制造的模具体与设计的原始数模是否一致, 是否能够保证模具体与其支架能够成功装配。结合复合材料构件模具设计的要求:设计者希望对所有的成型曲面在满足精度的前提下能进行整体

780

南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第41卷

实际模具设计制造过程中, 允许铺贴成型的模具体与模具体原始数模存在一定的误差 (针对复合材料模具, 通常取 =2～5mm ) , 模具体与数控加工的支架进行装配时, 因误差 而存在间隙, 这时将在间隙中填充硅胶, 以保证模具体在支架上的稳定性。整体偏置厚度d 与模具体厚度相同, 模具体的厚度d 根据模具的材料以及制造的具体要求不同, 复合材料模具体的厚度根据铺层厚度可计算得到, 通常为10层约7mm 左右。

结合Pieg l 算法[8]以及吴宝海算法[9], 在原始数据采样技术的基础上进行了改进, 在成型曲面上进行数据点采样时, 根据文献[10-11]提出了自由曲面随曲率变化的数据点采样方法对成型曲面进行数据点采样, 即采样点的疏密应随曲面曲率的变化而变化, 曲率越大, 采样应越密, 反之亦然。在偏置点的采样上, 为了避免曲率过大而使得偏置采样点过于集中, 使得在对偏置采样点进行曲面拟合过程中曲面出现自交现象, 在对偏置采样点进行曲面拟合以前判断各采样点P i 到初始曲面的最短距离f 与偏置距离d 的关系:若f

(3) :对采样结果按给定的的模具体厚度进行偏置。

(4) :根据偏置点P i 到初始曲面的最短距离f 与偏置距离d 的关系, 删除冗余偏置点。

(5) :对处理过后的偏置点进行NU RBS 曲面拟合, 得到初始偏置曲面为S ′。

(6) :检测S 与S ′之间的实际距离d ′与d 的最大误差是否小于 , 如果是, 转(7) , 如果否, 转(2) , 重新确定采样网格数。

(7) :根据初始曲面和偏置曲面生成复合材料构件模具体。

在模具体设计过程中考虑到了制造而使得模具体与原始数模存在一定的误差问题, 通过曲面偏置算法保证了模具体设计的精度和可靠性, 使其能在给定精度条件下加工出的模具体合理地与支架进行装配。因其所设计的算法是基于曲面数据采样

多么复杂, 都能合理地对成型曲面进行偏置, 避免分片处理而带来的烦琐工作。

5　复合材料构件模具支架的参数化

设计

　　成型模具支架包括型架板、底座以及叉车口组成, 过渡模具没有型架板, 如图1所示, 在图中过渡模具阴影部分为石膏或者砖等填充物, 在设计时只要预留填充空间, 设计出过渡模具的工作外形即可, 所以其结构比成型模具简单, 这里以成型模具支架为例, 说明其参数化设计模型。

成型模具体支架结构相对固定, 大都是由金属管材或角材组成的框架, 在进行CAD 设计过程中, 其截面相对固定, 其结构是根据截面扫掠而成。本文采用基于主参数的草图参数化设计方法, 将支架参数分为3层进行设计, 即支架主参数L , 具体结构主参数B 和详细设计参数X 。设计者只需根据实际需要, 输入主参数, 便可以设计出满足要求的模具体支架。引入级联驱动的概念, 级联驱动是指下一级参数对上一级参数的依赖关系, 该关系可以是具体的约束, 尺寸关联, 设计规则等等, 用关系R 表示。则支架参数化模型P 可以描述为:P =({L }　R 　{B }　R 　{X }) 。支架参数化的过程为:在对支架进行参数化驱动时, 根据上游的数据, 获取支架的外形参数, 确定其驱动参数L , 针对每一部分的结构设计其主驱动参数B , 建立L 与B 之间的级联驱动关系。对结构的进一步详细时, 研究其详细设计参数X , 建立B 与X 之间的级联驱动关系。特别的, 在建立详细设计参数时, 管材、板材的截面以及叉车口、散热口, 其形状为操场形、圆形、矩形、倒角矩形, 设计了其统一的参数化模型, 如图3所示, 如果r =0, 则为矩形, 此时, 当w =h 时为正方形; 如果r =w /2=h /2, 则为圆; 如果r =w /2且h >w , 则为操场形。当m =0时为散热口截面, 当m ≠0时为其他型材或者叉车口截面。

　　图4表明支架的级联参数化模型及各参数的意义, 设计者根据上游的数据获取支架的外形参数,

第6期李桂东, 等:复合材料构件成型模具设计方法

　781

图4　支架的级联参数化模型

主要指支架的轮廓多边形, 根据轮廓多边形的尺寸及用户输入的参数计算具体结构的主尺寸, 例如根

据用户输入的n i 或者d i 计算型架板草图的长度参数B i =F (L i , n i , d i ) 等。当设计草图完全确定后, 根据计算或者输入的详细设计参数(截面参数) , 利用CAD 的扫掠(loft) 功能生成最终的实体模型, 完成支架部分的设计。

6　复合材料构件模具设计系统的开发

基于以上对复合材料构件成型模具设计方法的研究, 整个复合材料构件模具的设计可分为3个阶段进行:成型曲面的可加工性检测阶段, 模具体设计阶段以及支架设计阶段, 采用自顶向下的设计模式, 利用向导的方式指导设计者进行模具的设计。开发了其数字化设计系统, 该系统主要包括3个模块:成型曲面可加工性检测模块、模具体设计模块、支架参数化设计模块。其系统的结构如图5所示。

成型曲面可加工性评价模块主要是在设计初期, 对复合材料构件成型曲面按照曲面本身的设计质量以及企业现有的资源条件进行检查, 在设计阶

段判断出不符合设计质量的曲面, 以免影响后续的, 图5　复合材料构件模具设计系统结构

主要是在设计模具体阶段, 考虑到成型曲面在设计过程中不易偏置, 而且模具体与支架结构制造方式的不同, 防止因制造误差而引起的模具体与模具支架不能装配的情况, 保证设计的模具体与支架的成功装配, 减少模具体的变形, 提高精度。支架的参数化设计模块主要在设计支架时, 利用参数化设计思想, 减少设计者的大量而烦琐的重复绘图工作, 提高设计效率。

根据企业的实际需求, 本系统基于CAA 进行二次开发, 集成于CAT IA 系统中。该系统已在国内

782

南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第41卷

应用效果。图6为根据本系统设计的飞机某复合材

料构件成型模具以及系统的部分界面。

[2]　燕瑛, 王正龙, 刘秀之. 复合材料结构数字化设计与工

艺制造一体化技术研究及应用[J ].航空制造技术, 2007(8) :46-48.

[3]　赵渠森, 杨国章. 复合材料飞机构件制造技术[M ].北

京:国防工业出版社, 1989.

[4]　Ye X G, Fuh J Y H, L ee K S. A utomat ed assembly

modelling for plastic injection m oulds[J]. T he I nt er-national Jour nal o f A dvanced M anufactur ing T ech-no lo gy , 2000, 16(10) :739-747.

[5]　Wu S H, L ee K S, F uh J Y H. F eature-based pa ra-met ric desig n o f a ga ting sy st em for a die-casting die [J ].T he I nt ernational Jour nal o f Advanced M anu-factur ing T echno lo gy , 2002, 19(11) :821-829.

图6　飞机某复合材料构件模具及系统部分界面

[6]　李桂东, 周来水, 安鲁陵, 等. 复杂曲面零件可加工性

分析的多属性评价算法研究[J ].中国机械工程, 2009, 20(3) :315-319.

[7]　乔立红, 马涛, 汪叔淳. 毛坯可制造性分析中的多属性

评价算法研究[J]. 机械工程学报, 1999, 35(4) :42-46.

[8]　Pieg l L A , Wa yne T. Computing offsets o f N U RBS

cur ves and sur face [J ]. Co mput er -A ided D esign , 1999, 31(2) :147-156.

[9]　吴宝海, 王尚锦. 基于自适应采样的自由曲面偏置算

法[J].工程图学学报, 2003(1) :86-92.

[10]来新民, 黄田, 陈关龙, 等. 自由曲面数字化的自适应

规划[J].上海交通大学学报, 1999, 33(7) :837-841. [11]L i S Z . A daptiv e sampling and m esh g eneration [J ].

240. Co mput er -Aided Desig n , 1995, 27(3) :235-

7　结束语

本文研究了复合材料构件模具自顶向下的设计过程中的若干关键技术, 开发了相应的设计系统。为减少加工迭代问题, 今后将针对成型曲面的质量检测技术做更加深入的研究; 根据不同的工艺、工件的大小、形状特征、经验知识等因素, 总结复合材料构件模具材料的选择方法, 以及模具设计中的经验和知识, 建立相应的设计知识库系统, 以辅助复合材料构件模具的设计。参考文献:

[1]　韩克岑, 张颖. 复合材料结构数字化设计与制造[J].

航空制造技术, 2006(1) :50-52.

第41卷第6期南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Vo l. 41N o. 6

　　　　　　　　2009年12月　Dec. 2009Journal of Nanjing U niversity of Aero nautics &Astronautics

复合材料构件成型模具设计方法

李桂东　周来水

(南京航空航天大学机电学院, 南京, 210016)

摘要:树脂基纤维增强复合材料构件成型模具根据其材料可分为金属模和复合材料模, 金属模利用数控加工方式制造, 复合材料模利用过渡模铺帖成型, 因其特殊的结构和工艺性, 其设计过程和方法有别于普通的机械零件成型模具。本文分析了复合材料构件模具结构及现有设计存在的问题, 采用数字化设计的方法和流程, 解决了成型曲面的可加工性检测、成型曲面的整体偏置以及模具支架的参数化设计等关键技术, 开发了相应的设计系统。关键词:复合材料构件; 模具设计; 数字化设计; 参数化设计

中图分类号:T P391　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1005-2615(2009) 06-0777-06

Design Method for Composite Component Mold

L i Guid ong , Zhou L aishui

(Colleg e of M echanical and Electrica l Engineer ing , N anjing U niv ersity

of A ero naut ics &A stro naut ics , N anjing , 210016, China )

Abstract :T he resin matrix fiber-reinforced com posite co mpo nent mo ld can be divided into the metal mold and the com posite mold based on its material. T he m etal mold can be manufactur ed by machining

and the composite mo ld is form ed by the transition mold . T he design process and the desig n m ethod are different fr om the g eneral forming die of the m echanical part because of its special structur es and m anu-facturability. In this paper, the structure of the mold and the present design problem are analy zed. The dig ital desig n metho d and its pro cess are used , and the key technolog ies ar e solved :checking of machin-ability for the mo lding sur face , a ho listic o ffset method o f the m olding surface and par am etric desig n model of the m old support. Finally, a design system is developed based on the pro posed methodo logies. Key words :composite components; mold design; digital design; parametrizatio n desig n 　　复合材料是一种具有高强度、高刚性以及具有良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点的新型材料, 已经广泛应用于航空航天企业。在国内飞机制造业中, 复合材料构件的设计制造大多仍沿用传统的模拟量尺寸传递体系。随着计算机技术的发展, 数字化设计技术在飞机制造领域备受关注, 国内航空企业虽然对利用数字化技术实现“无纸化”生产进行了相应的摸索和实践[1], 但与国外相比还存在一定的差距, 美国波音公司在波音777型飞机型号研制中采用数字化技术, 使研制周期缩短50%, 出

错返工率减少75%, 成本降低25%, 已经成为数字化设计制造技术在飞机研制中应用的标志和里程碑。

模具是复合材料构件制造用的主要工艺装备, 用以确定制件形状、结构关系、控制外缘和获得良好的表面质量, 在模具上完成复合材料聚合固化, 有时还在成形模上进行预浸料的铺叠, 复合材料模具的设计制造对复合材料构件的产品质量影响较大, 要求模具的设计合理。国内外学者对普通的机械零件成型模具CAD /CAM 技术进行了深入的

[3]

[2]

　基金项目:国家自然科学基金(60673026) 资助项目; 教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目。　收稿日期:2008-12-15; 修订日期:2009-06-26

　作者简介:李桂东, 男, 博士研究生, 1982年12月生; 周来水(联系人) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:zlsm e@nuaa. edu.

778

南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第41卷

研究[4-5], 而未见对复合材料构件成型模具的CAD /CAM 技术的研究。复合材料构件成型模具根据其材料可分为金属模和复合材料模, 因其特殊的结构及工艺, 本文结合企业的实际需求, 以典型的复合材料构件成型模具结构为研究对象, 研究了现有模具设计过程中存在的问题, 提出了改进的设计方法, 将复合材料构件成型模具设计分为3个阶段进行:成型曲面的检测, 模具体的设计, 模具支架的参数化设计, 并开发了相应的设计系统。

的设计原始依据是飞机构件的外形曲面, 模具的设计过程受上游数据的影响较大。现有的设计中, 设计者没有对上游曲面数据进行客观的评价, 往往只有在制造的过程中才能发现产品数据的不足, 出现加工迭代的现象, 造成资源浪费。本文结合并行工程及可制造性的设计思想, 在设计阶段能根据现有的资源条件等, 对接收的产品曲面数据进行综合评价, 辅助设计者合理地作出判断, 对产品数据的不足及时地进行修改, 满足要求。

复合材料构件模具体设计的主要工作是对成型曲面的偏置, 成型曲面是大量的曲面片拼接而成的, 其特征非常复杂, 在对复合材料构件模具体设计过程中, 对成型曲面进行偏置时, 存在局部因曲率过大而无法整体偏置的问题, 使得设计人员不得不将原始曲面进行拆分, 而分别对曲面片进行单独偏置, 然后将所得的偏置曲面按要求进行拼接。这样不仅改变了原始的设计数据, 使得设计结果有较大的偏差, 往往需要设计员进行无数次的反复尝试, 才能得到合理的解, 而且对曲面的处理, 本身就是很复杂的过程, 依靠人工的手段, 质量得不到保证, 而且降低了设计效率。本文在满足误差的前提下, 提出了基于误差约束的复杂曲面整体偏置方法。

型架板结构的设计过程中, 设计者对每一个结构的设计都从草图进行, 设计步骤烦琐, 设计效率低下, 依赖设计人员所掌握的知识和经验, 不同背景的设计人员所设计的产品模型差异很大, 不能满足产品规范性的要求。通过对大量复合材料构件模具的总结, 发现其型架板结构大同小异, 本文利用参数化设计手段对其进行标准化, 建立其参数化设计模型, 设计者只需对给定的几组参数进行赋值, 便可以生成满足条件的型架板结构, 减少设计者的大量而烦琐的重复绘图工作, 提高设计效率。

1　典型复合材料构件模具结构分析

复合材料构件成型模具的结构随着工艺方法的变化而变化, 比较有代表性的是真空袋(热压灌成形方法的模具) , 如图1所示为薄板框架式模具的结构示意图, 包括用于铺帖复合材料成型模具的过渡模, 其结构设计包含的基本内容有以下几个方面:模具型面要具有较高的精度, 这是复合材料构件成型的基本依据; 如果模具体是金属模, 其型面需采用数控加工, 在设计过程中应满足加工的具体要求, 如果是用复合材料(通常使用纤维增强树脂) 来做模具体, 在国内大都采用人工铺帖成型的方式进行制造, 型板架大都是金属管材或角材组成的框架, 其通过数控加工的方式制造的, 在设计过程中要考虑到铺帖成型的模具体要在允许的误差范围内, 才能保证成型模具体与型板架成功装配, 保证模具体的精度。此外, 型架板结构主要考虑保证在加温时模具体不易变形, 而且使得空气流在模具体

上下表面任意流动。

3　成型曲面的检测方法

复合材料构件因其特殊的结构, 其成型表面是通过大量的曲面片拼接而成的, 表面质量较差, 因此进行模具设计, 特别是以数控加工方式加工的产

1. 成型模具; 2. 过渡模具; 3. 型板架加强结构; 4. 成型模具体; 5. 过渡模挡板; 6. 过渡模具体; 7. 叉车口; 8. 模具底座; 9. 产品成型曲面

图1　成型模具结构示意图

品时, 必须要对成型面进行可加工性检测, 判断成型面在企业现有的加工资源条件下能否高效加工出合格的产品。本文考虑影响成型面可制造性的因素包括:加工难度、加工设备、刀具、装夹方式等, 并将这些因素映射为成型面的几何特征属性, 使设计者在设计过程中能根据几何特征合理判断其可加2　现有设计存在的问题

第6期李桂东, 等:复合材料构件成型模具设计方法

　779

测方法, 本文简述如下。

3. 1　成型曲面几何特征属性的提取

影响模具可加工性的属性可分为产品属性层、过渡属性层和用户属性层。产品属性层指影响其可

加工性的总体属性, 用A 表示。过渡属性层指由产品属性向用户属性过渡的中间属性集合, 其可分为成型曲面的几何形状属性G , 现有的制造资源属性S 以及模具几何属性P 。根据成型曲面特征对加工工艺性的影响的不同, 将成型曲面的几何形状属性可进一步分为局部特征属性Q (如曲面上某点的曲率、曲面的凹凸性等) , 和整体特征属性Z (如曲面是否为单值曲面等) 。制造资源属性可进一步分为加工设备属性E , 刀具属性C , 装夹属性F 等。模具的几何属性主要是指模具几何特征对成型曲面的加工工艺性产生影响的属性, 如在数控加工, 是否以模具上的某特征作为加工成型曲面的定位基准, 将会影响成型曲面的加工工艺性。本文主要考虑在设计模具时, 将加工成型曲面的装夹定位的基准设计为模具的局部特征, 即将设计基准和定位基准定义为同一基准, 简化模具的设计步骤和装夹的工艺, 称为模具的基准属性B 。它们之间的层次映射关系为A ={G , S , P }={Q , Z , E , C , F , B }, 各属性的层次化树状结构如图2所示, 用户最终只需关注用户属性层的属性,

简化后续的设计与计算。

闭角, 称对复杂曲面的闭角评价。

引入几何特征属性评价值的概念, 定义几何特征属性评价值为模具几何特征属性对其可加工性的影响程度的数值描述, 用P A 来表示, 其值为[-1, 1]之间的数值, 下标A 表示产品属性, 例如P QC 表示属性Q 和属性C 的可加工性评价值。对于不可用数值表达的属性合称为语值属性, 对语值属性不同的定义表达反映人们对被定义属性的要求与理解, 定义语值集合T 为:{‘差’, ‘一般’, ‘好’, ‘非常好’}, 对应[-1, 1]之间的评价值。决策者可根据自己的喜好修改和重新定义语值集合及其对应关系, 合理的判断出成型曲面可加工性。3. 3　成型曲面可加工性多属性的总体评价

产品的总体要求是由一系列对单一属性的要求所组成的, 这些要求既具有独立性又相互关联, 共同影响成型曲面可加工性。在解决工程问题中, 当某一属性绝对不满足产品要求时, 无论方案的其他属性如何, 此方案都绝对不满足产品要求, 既要同时考虑各属性的重要性, 但决策的制定应主要依据较为重要的属性[7]。根据以上的分析, 在对成型曲面进行可加工性评价时, 结合工程系统论的体系化分解处理思想, 则可建立成型曲面可加工性多属性总体评价值为

-1

P =

4

Any (X )

4

∑W X

i

i =1

其中:X ∈{P Q C , P Z , P FB , P E };

∑W

i =1

i

=1; Any (X )

表示任何某一属性的取值; All (X ) 表示所有属性的取值; W i 表示第i 个属性评价值对总体评价值的影

图2　产品属性层次化树状结构图

响因子。最后根据总体评价值P 及其与语值属性的映射关系, 辅助决策者做出相应的判断。对于不合理的曲面, 返回重新设计, 在模具体设计以前就合理判断成型曲面的可加工性, 保证后续设计的有效性。

3. 2　成型曲面特征属性的可加工性的评价

根据对成型曲面特征属性的提取, 针对用户属性层各属性的几何特征, 将影响成型曲面可加工性的曲面几何特征与模具的几何特征数值属性评价分为成型曲面的曲率评价、成型曲面闭角的评价、

成型曲面单值性的评价、以及成型曲面水平度评价。复杂曲面曲率的评价是对属性Q 和属性C 的评价, 将其属性映射为判断曲面上点的曲率是否满足加工要求。复杂曲面单值性的评价是对属性Z 和对属性E 的评价, 将其属性映射为判断加工曲面是否为单值的。对于属性F 和属性B 的评价, 将其映射为计算曲面的水平度, 称对曲面水平度的评价。对, 4　复合材料构件模具体的设计

在以上对成型曲面的可加工性评价的基础上, 在设计复合材料构件模具体过程中, 需要考虑到模具体的加工过程中的实际情况, 即:过渡模具体是通过数控加工的, 成型模具体是通过过渡模进行铺贴成型的, 制造的模具体与设计的原始数模是否一致, 是否能够保证模具体与其支架能够成功装配。结合复合材料构件模具设计的要求:设计者希望对所有的成型曲面在满足精度的前提下能进行整体

780

南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第41卷

实际模具设计制造过程中, 允许铺贴成型的模具体与模具体原始数模存在一定的误差 (针对复合材料模具, 通常取 =2～5mm ) , 模具体与数控加工的支架进行装配时, 因误差 而存在间隙, 这时将在间隙中填充硅胶, 以保证模具体在支架上的稳定性。整体偏置厚度d 与模具体厚度相同, 模具体的厚度d 根据模具的材料以及制造的具体要求不同, 复合材料模具体的厚度根据铺层厚度可计算得到, 通常为10层约7mm 左右。

结合Pieg l 算法[8]以及吴宝海算法[9], 在原始数据采样技术的基础上进行了改进, 在成型曲面上进行数据点采样时, 根据文献[10-11]提出了自由曲面随曲率变化的数据点采样方法对成型曲面进行数据点采样, 即采样点的疏密应随曲面曲率的变化而变化, 曲率越大, 采样应越密, 反之亦然。在偏置点的采样上, 为了避免曲率过大而使得偏置采样点过于集中, 使得在对偏置采样点进行曲面拟合过程中曲面出现自交现象, 在对偏置采样点进行曲面拟合以前判断各采样点P i 到初始曲面的最短距离f 与偏置距离d 的关系:若f

(3) :对采样结果按给定的的模具体厚度进行偏置。

(4) :根据偏置点P i 到初始曲面的最短距离f 与偏置距离d 的关系, 删除冗余偏置点。

(5) :对处理过后的偏置点进行NU RBS 曲面拟合, 得到初始偏置曲面为S ′。

(6) :检测S 与S ′之间的实际距离d ′与d 的最大误差是否小于 , 如果是, 转(7) , 如果否, 转(2) , 重新确定采样网格数。

(7) :根据初始曲面和偏置曲面生成复合材料构件模具体。

在模具体设计过程中考虑到了制造而使得模具体与原始数模存在一定的误差问题, 通过曲面偏置算法保证了模具体设计的精度和可靠性, 使其能在给定精度条件下加工出的模具体合理地与支架进行装配。因其所设计的算法是基于曲面数据采样

多么复杂, 都能合理地对成型曲面进行偏置, 避免分片处理而带来的烦琐工作。

5　复合材料构件模具支架的参数化

设计

　　成型模具支架包括型架板、底座以及叉车口组成, 过渡模具没有型架板, 如图1所示, 在图中过渡模具阴影部分为石膏或者砖等填充物, 在设计时只要预留填充空间, 设计出过渡模具的工作外形即可, 所以其结构比成型模具简单, 这里以成型模具支架为例, 说明其参数化设计模型。

成型模具体支架结构相对固定, 大都是由金属管材或角材组成的框架, 在进行CAD 设计过程中, 其截面相对固定, 其结构是根据截面扫掠而成。本文采用基于主参数的草图参数化设计方法, 将支架参数分为3层进行设计, 即支架主参数L , 具体结构主参数B 和详细设计参数X 。设计者只需根据实际需要, 输入主参数, 便可以设计出满足要求的模具体支架。引入级联驱动的概念, 级联驱动是指下一级参数对上一级参数的依赖关系, 该关系可以是具体的约束, 尺寸关联, 设计规则等等, 用关系R 表示。则支架参数化模型P 可以描述为:P =({L }　R 　{B }　R 　{X }) 。支架参数化的过程为:在对支架进行参数化驱动时, 根据上游的数据, 获取支架的外形参数, 确定其驱动参数L , 针对每一部分的结构设计其主驱动参数B , 建立L 与B 之间的级联驱动关系。对结构的进一步详细时, 研究其详细设计参数X , 建立B 与X 之间的级联驱动关系。特别的, 在建立详细设计参数时, 管材、板材的截面以及叉车口、散热口, 其形状为操场形、圆形、矩形、倒角矩形, 设计了其统一的参数化模型, 如图3所示, 如果r =0, 则为矩形, 此时, 当w =h 时为正方形; 如果r =w /2=h /2, 则为圆; 如果r =w /2且h >w , 则为操场形。当m =0时为散热口截面, 当m ≠0时为其他型材或者叉车口截面。

　　图4表明支架的级联参数化模型及各参数的意义, 设计者根据上游的数据获取支架的外形参数,

第6期李桂东, 等:复合材料构件成型模具设计方法

　781

图4　支架的级联参数化模型

主要指支架的轮廓多边形, 根据轮廓多边形的尺寸及用户输入的参数计算具体结构的主尺寸, 例如根

据用户输入的n i 或者d i 计算型架板草图的长度参数B i =F (L i , n i , d i ) 等。当设计草图完全确定后, 根据计算或者输入的详细设计参数(截面参数) , 利用CAD 的扫掠(loft) 功能生成最终的实体模型, 完成支架部分的设计。

6　复合材料构件模具设计系统的开发

基于以上对复合材料构件成型模具设计方法的研究, 整个复合材料构件模具的设计可分为3个阶段进行:成型曲面的可加工性检测阶段, 模具体设计阶段以及支架设计阶段, 采用自顶向下的设计模式, 利用向导的方式指导设计者进行模具的设计。开发了其数字化设计系统, 该系统主要包括3个模块:成型曲面可加工性检测模块、模具体设计模块、支架参数化设计模块。其系统的结构如图5所示。

成型曲面可加工性评价模块主要是在设计初期, 对复合材料构件成型曲面按照曲面本身的设计质量以及企业现有的资源条件进行检查, 在设计阶

段判断出不符合设计质量的曲面, 以免影响后续的, 图5　复合材料构件模具设计系统结构

主要是在设计模具体阶段, 考虑到成型曲面在设计过程中不易偏置, 而且模具体与支架结构制造方式的不同, 防止因制造误差而引起的模具体与模具支架不能装配的情况, 保证设计的模具体与支架的成功装配, 减少模具体的变形, 提高精度。支架的参数化设计模块主要在设计支架时, 利用参数化设计思想, 减少设计者的大量而烦琐的重复绘图工作, 提高设计效率。

根据企业的实际需求, 本系统基于CAA 进行二次开发, 集成于CAT IA 系统中。该系统已在国内

782

南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第41卷

应用效果。图6为根据本系统设计的飞机某复合材

料构件成型模具以及系统的部分界面。

[2]　燕瑛, 王正龙, 刘秀之. 复合材料结构数字化设计与工

艺制造一体化技术研究及应用[J ].航空制造技术, 2007(8) :46-48.

[3]　赵渠森, 杨国章. 复合材料飞机构件制造技术[M ].北

京:国防工业出版社, 1989.

[4]　Ye X G, Fuh J Y H, L ee K S. A utomat ed assembly

modelling for plastic injection m oulds[J]. T he I nt er-national Jour nal o f A dvanced M anufactur ing T ech-no lo gy , 2000, 16(10) :739-747.

[5]　Wu S H, L ee K S, F uh J Y H. F eature-based pa ra-met ric desig n o f a ga ting sy st em for a die-casting die [J ].T he I nt ernational Jour nal o f Advanced M anu-factur ing T echno lo gy , 2002, 19(11) :821-829.

图6　飞机某复合材料构件模具及系统部分界面

[6]　李桂东, 周来水, 安鲁陵, 等. 复杂曲面零件可加工性

分析的多属性评价算法研究[J ].中国机械工程, 2009, 20(3) :315-319.

[7]　乔立红, 马涛, 汪叔淳. 毛坯可制造性分析中的多属性

评价算法研究[J]. 机械工程学报, 1999, 35(4) :42-46.

[8]　Pieg l L A , Wa yne T. Computing offsets o f N U RBS

cur ves and sur face [J ]. Co mput er -A ided D esign , 1999, 31(2) :147-156.

[9]　吴宝海, 王尚锦. 基于自适应采样的自由曲面偏置算

法[J].工程图学学报, 2003(1) :86-92.

[10]来新民, 黄田, 陈关龙, 等. 自由曲面数字化的自适应

规划[J].上海交通大学学报, 1999, 33(7) :837-841. [11]L i S Z . A daptiv e sampling and m esh g eneration [J ].

240. Co mput er -Aided Desig n , 1995, 27(3) :235-

7　结束语

本文研究了复合材料构件模具自顶向下的设计过程中的若干关键技术, 开发了相应的设计系统。为减少加工迭代问题, 今后将针对成型曲面的质量检测技术做更加深入的研究; 根据不同的工艺、工件的大小、形状特征、经验知识等因素, 总结复合材料构件模具材料的选择方法, 以及模具设计中的经验和知识, 建立相应的设计知识库系统, 以辅助复合材料构件模具的设计。参考文献:

[1]　韩克岑, 张颖. 复合材料结构数字化设计与制造[J].

航空制造技术, 2006(1) :50-52.