CN105467950A - 一种复合材料成形模具的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料成形模具的设计方法。对复合材料构件进行工艺评估，获得合理的成形模具设计方案，采用自上向下的程序化一体化的设计系统。包括：成型曲面的可加工性检测、成型模具体设计及成形模具支架设计、基于FiberSIM，CAA二次开发的模具设计系统方法。该发明改变了传统复合材料成形模具的设计方法，实现了复合材料成形模具的程序化设计，极大地推动了我国复合材料成形模具设计与制造的水平，使复合材料模具设计与制造向低成本化、数字化方向发展；同时还可以缩短成形模具设计制造周期，降低研制成本，提高设计质量。

Description

一种复合材料成形模具的设计方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料成形模具的设计方法。

背景技术

复合材料结构一般由基体和增强材料经热压工艺制造而成，具有比强度高、比刚度大、可设计性强、抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性良好、尺寸稳定性好、隐身性好、便于大面积整体成型、有效提高商用载荷等诸多优点。应用复合材料FiberSIM软件，采用独特的复合材料构件制造模拟技术，对构件件进行准确的工艺评估，获得合理设计结果和确保高质量的产品的新技术。通过软件模拟功能实现面向制造技术的设计，模拟平面铺层在三维零件上的铺覆工艺可行性，在三维零件某一区域上实现所要求的纤维铺放角的工艺可行性等，并通过对各软件系统和设备进行相关的二次开发和接口设计，实现复合材料构件在并行工作模式下的设计、工艺、制造、检测、装配全过程的集成，实现复合材料构件设计、制造及工艺一体化的技术。数字化技术在复合材料结构设计中的应用数字化设计技术就是用现代的、高科技的手段和技术来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机的，支持产品开发与生产全过程的并行化、智能化、集成化、虚拟化、绿色化、全球化、人性化、安全化、敏捷化的现代设计方法与系统，有效地组织多学科的产品开发队伍，充分利用各种计算机辅助工具，并有效地考虑产品开发与生产的全过程。

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。

发明内容

本发明的目的在于提出一种复合材料成形模具的设计制造方法

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料成形模具的改进方法，主要包括3个步骤：型曲面的可加工性检测、成型模具体设计及成形模具支架设计、基于FiberSIM，CAA二次开发的模具设计系统方法。成型曲面可加工性评价检测主要是在设计初期.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，以免影响后续的加工制造，出现加工迭代情况。模具体的设计模块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，本成形模具的改进设计系统方法基于FiberSIM，CAA软件进行二次开发。

1成型曲面的检测方法

复合材料构件是通过大量的曲面片拼接而成的，表面质量差，进行模具设计，以数控加工方式加工的产品时，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。本发明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工性。检测方法分三步进行：成型曲面几何特征属性的提取、成型曲面特征属性的可加工性的评价和成型曲面可加工性多属性的总体评价。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。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}，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。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。对属性E的评价，将其映射为复杂曲面零件是否存在闭角，称对复杂曲面的闭角评价。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，但决策的制定应结合工程系统论的体系化分解处理思想，建立成型曲面可加工性多属性总体评价值。

2、复合材料构件模具体和模具支架的设计

(1)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偏置，这样能更好地保证模体的厚度尽量均匀。在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e(针对复合材料模具，通常取ε＝2～3mm)，模具体与数控加工的支架进行装配时，因误差e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6mm左右。在原始采样技术的基础上进行了改进，在成型曲面上数据点采样时，提出了自由面随曲率变化的数据点采样方法对成型曲面进据点采样，即采样点的疏密应随曲面曲率的变变化，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到初始曲面的最短距离f，与偏置距离d的关系：若f<d，则认为该点冗余，将其剔除，若f≥d则保留，这样简化保证不会因偏置距离小于主曲率半径而使得偏置曲面出现自交现象。

(2)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。本发明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，用关系尺表示。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。

3基于FiberSIM，CAA二次开发的模具设计系统方法。

基于以上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。利用FiberSIM，CAA二次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，以免影响后续的加工制造，出现加工迭代情况。复合材料构件模具设计系统结构模块如图2所示。

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，以免影响后续的加工制造，出现加工迭代情况。模具体的设计模块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。

附图说明

图1成型模具结构示意图，

图2复合材料构件模具设计系统结构。

具体实施方式

实施例1

一种复合材料成形模具的设计方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

(1)对复合材料构件进行工艺评估，获得合理的成形模具设计方案；

(2)采用自上向下的程序化一体化的设计系统，该系统包括：成型曲面的加工性检测模块、成型模具体设计模块及成形模具支架设计模块，其中检测模块将加工性检测数据传输到成型模具体设计模块，根据数据进行自动设计；自动设计好后，根据人为需要可以校正图形，将校正或未校正图形的数据传输到支架设计模块，进行支架设计。

合理设计结果，采用自上向下的程序化设计过程，开发了相应的设计系统。以飞机某复合材料构件成型模具采用FiberSIM软件，CAA二次开发与传统成形模具设计方法相比，达到的技术指标见表1。

表1复合材料传统设计方法与FiberSIM二次开发对比图

比较项目	传统设计方法	系统设计方法	技术指标
				研制周期	8个月	4个月	缩短50％
材料ECS2003	12m	8.8m	节省26.7％
				材料ECS0017	8m	5.3m	节省33.7％
材料DHS216	28m	23m	节省17.8％
				下料人员	7人	5人	节省28.6％
生产效率			提高约3.5倍
				出错返工率			减少约45％

Claims (1)

1.一种复合材料成形模具的设计方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

(1)对复合材料构件进行工艺评估，获得合理的成形模具设计方案；

(2)采用自上向下的程序化一体化的设计系统，该系统包括：成型曲面的加工性检测模块、成型模具体设计模块及成形模具支架设计模块，其中检测模块将加工性检测数据传输到成型模具体设计模块，根据数据进行自动设计；自动设计好后，根据人为需要可以校正图形，将校正或未校正图形的数据传输到支架设计模块，进行支架设计。