核心提示：在空客潔凈天空 2 研發(fā)項目中，通過一項研究，對新型單通道（類似空客 A320） 機(jī)身的設(shè)計和制造了熱塑機(jī)身試驗件（直徑 4 米、長

在空客“潔凈天空 2” 研發(fā)項目中，通過一項研究，對新型單通道（類似空客 A320） 機(jī)身的設(shè)計和制造了熱塑機(jī)身試驗件（直徑 4 米、長度 8 米）。該試驗件的主要目標(biāo)是實現(xiàn)高產(chǎn)量， 每月至少制造 60 架飛機(jī)的速率， 并減少結(jié)構(gòu)重量和經(jīng)常性成本。設(shè)想的試驗件應(yīng)驗證機(jī)身結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、貨物和設(shè)備的高潛力多功能組合。新技術(shù)為下一代單通道機(jī)身和客艙，采用先進(jìn)材料和創(chuàng)新設(shè)計、制造提供依據(jù)。

機(jī)身試驗件的 CAD 模型 (2019.11.21)

熱塑復(fù)材機(jī)身試驗件的關(guān)鍵創(chuàng)新之一是預(yù)裝機(jī)身的模塊化組裝子組件。在設(shè)計和制造此類集成多學(xué)科機(jī)身分總成方面邁出一步，包括結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、客艙和貨艙的組件需要材料和制造方法。熱塑性復(fù)合材料及其高度自動化纖維鋪放技術(shù)和先進(jìn)的連接方法，提供了生產(chǎn)所需的靈活性和效率，以便生產(chǎn)更多的預(yù)裝配子組件，以實現(xiàn)未來的模塊化組裝過程的制造供應(yīng)鏈。為單通道下一代機(jī)身提供兩位數(shù)的燃油消耗減少， 需要將客艙、貨艙和物理系統(tǒng)元素集成在一起的結(jié)構(gòu)概念。未來全裝備單通道飛機(jī)機(jī)身的總體目標(biāo)是：

實現(xiàn)每月至少 60 架次的高速生產(chǎn)（HRP-High RateProduction）

將機(jī)身總重量減少 10%

將經(jīng)常性成本降低 20%

為此，將開發(fā)、制造和交付全尺寸機(jī)身部分試驗件。試驗件下半部分為 180° 全尺寸多功能集成熱塑性機(jī)身外殼， 包括客艙和貨艙地板結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的主要內(nèi)部和系統(tǒng)元件。先進(jìn)的設(shè)計原則，創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)、先進(jìn)的材料和工藝，為下一代產(chǎn)品提供高潛力的解決方案。實現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)的這些先進(jìn)設(shè)計原則之一是， 虛擬過程技術(shù)的

使用。在過去五年中，虛擬過程模擬（也稱為制造模擬，虛擬制造）使用物理行為已受到越來越多的關(guān)注。虛擬過程模擬的好處是為了在實際制造之前了解工藝參數(shù)的行為和影響，通過緩解措施降低風(fēng)險。因此，制造技術(shù)、 測試和小型試驗件可以借助強(qiáng)大的仿真工具。

從 CAD 模型到有限元分析結(jié)果的工作流程

研究了用于全尺寸單通道機(jī)身蒙皮部件的制造方法，以支持虛擬處理模擬，見上圖。由于考慮了大型多功能系統(tǒng)的復(fù)雜性

結(jié)構(gòu)、 批生產(chǎn)和試驗件制造的風(fēng)險以及詳細(xì)程度。這對于高水平的制造精度是必需的，詳細(xì)的 3D 建模和分析對于制造過程的預(yù)測。

本文中給出的結(jié)果將包括以下建模步驟：從 CAD（復(fù)合材料建模器）到自動纖維鋪放制造模擬（顯式）和薄皮部分和表面的動態(tài)處理懸垂過程（隱式和顯式模擬）。

復(fù)合材料建模器

復(fù)合材料蒙皮由 CAD文件（Catia）中定義的許多層和鋪層組成。正確轉(zhuǎn)移將幾何數(shù)據(jù)和復(fù)合材料數(shù)據(jù)輸入有限元軟件可能非常具有挑戰(zhàn)性。此外，詳細(xì)的從 CAD 中定義的曲面機(jī)身蒙皮到制造所需的平面蒙皮模型的轉(zhuǎn)換模擬帶來了額外的挑戰(zhàn)。因此，層的纖維方向和層的法線方向?qū)訅喊逍枰紤]。要執(zhí)行此轉(zhuǎn)換，將使用具有上述測繪精度高。Abaqus/CAE 復(fù)合材料建模器擴(kuò)展了鋪層建模 Abaqus 提供纖維模擬功能。

纖維鋪放模擬

使用纖維鋪放設(shè)備進(jìn)行復(fù)合材料 AFP-Automated Fibre Placement鋪放。為了深入了解該生產(chǎn)過程的行為和動態(tài)，使用動態(tài)在纖維放置上執(zhí)行顯式操作。該方法允許使用 DOE-design of experiment 評估設(shè)計空間，例如：利用復(fù)合材料的材料損傷參數(shù)研究粘性對模具、彎曲和切割的影響以有效的方式使用纖維/絲束。虛擬纖維放置頭可同時放置 8 根復(fù)合纖維束。與大多數(shù) AFP 模擬相比，這包括物理效應(yīng)。這種類型的模擬對于纖維放置非常有用具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)或纖維轉(zhuǎn)向，可能有褶皺。這方面的定性比較技術(shù)已經(jīng)實施，但到目前為止還沒有完全驗證。

用于制造皮膚的纖維鋪設(shè)技術(shù)

操縱模擬和懸垂模擬

機(jī)身蒙皮的制造過程包括將多個子層壓板搬運和覆蓋到固結(jié)模具中。為了深入了解這些相當(dāng)大和薄的對柔性蒙皮子層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動力顯式仿真。這種模擬擴(kuò)展了經(jīng)驗從艙門周圍小尺寸面板的實際測試到全尺寸蒙皮。蒙皮是用吸盤抓起的然后小心地放入彎曲的模具中。

將纖維放置到模具后的蒙皮示意圖，包括從平面到曲面的形狀過渡，以及右邊是一個真空提升裝置的圖像

用建模的方法可以改變層壓板厚度、吸盤數(shù)量及其在蒙皮上的分布。這些模擬的主要目的是詳細(xì)分析這些大而薄的層壓板在轉(zhuǎn)移過程中的行為，避免在運輸?shù)侥＞叩倪^程中損壞蒙皮。還有可以研究較厚的艙門周邊的層壓板。這些要求是在最大吸盤負(fù)載為預(yù)成型層壓板彎曲產(chǎn)生的 200 N 和層間剪切應(yīng)力（ILSSinterlaminar shear stress）為 6 MPa。操縱和懸垂模擬尚未得到驗證。對吸盤負(fù)載等輸入進(jìn)行了測試。

復(fù)合材料建模器

復(fù)合材料建模器用于創(chuàng)建蒙皮有限元模型。在試驗件建模文件中， 蒙皮設(shè)計包含 120 多個詳細(xì)的鋪層定義。這些定義在中是有效的蒙皮的不同區(qū)域，以創(chuàng)建平衡和設(shè)計的蒙皮。手動執(zhí)行此操作將非常重要因此使用了復(fù)合材料建模器。這將使用 CAD Catia 文件和Abaqus 有限元網(wǎng)格作為將層壓板映射到網(wǎng)格的輸入。進(jìn)行了兩種設(shè)

計，一種是包含 50000 個元素的粗略設(shè)計，另一種是包含500.000 個元件（S4R-Shell element Abaqus）。對于第二種設(shè)計，網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)也更為結(jié)構(gòu)化，以便能夠正確繪制坡道區(qū)域使用平均尺寸為 10mm 的元素。

復(fù)合材料建模器繪制的蒙皮

成功地將層壓板從 CAD 繪制出有限元模型?？傮w由于有大量的層定義和截面，計算性能被證明是具有挑戰(zhàn)性的。這個繪制有限元蒙

皮模型的結(jié)果用于描述的操縱和懸垂模擬。

纖維鋪放模擬

為了了解該過程，使用 Abaqus Explicit，即所謂的虛擬 FPM（-Fibre Placement Manufacturing） 。這包括以下部件，如下圖所示：金屬模具（淺黃色）、纖維鋪放頭和牽引導(dǎo)管（藍(lán)色）、單個牽引（共 8 根）、切割刀、滾筒（藍(lán)色）。模具、切割刀和纖維鋪放頭為剛性部件。碳纖維增強(qiáng)塑料絲束具有彈性和損傷模型，并與模具發(fā)生內(nèi)聚作用（粘結(jié)）。輥子也有彈性橡膠性能。

纖維鋪設(shè)模擬（虛擬 FPM）

模擬結(jié)果，其中使用中間切割鋪放了兩層。這個仿真結(jié)果在定性方面是令人滿意的，與纖維鋪放有良好的對應(yīng)關(guān)系在現(xiàn)實中使用視覺比較的行為。計算時間為 2 小時， 8 個 CPU-CentralProcessing Unit 計算工作量很大。它對過程的靈敏度和速度提供了有價值的見解。該方法將用于蒙皮具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。此時，使用此方法模擬整個蒙皮部分是不可行的由于計算的限制。進(jìn)一步的工作還包括熱模擬和激光的結(jié)合加熱后進(jìn)行冷卻變形模擬，并使用實際測量值進(jìn)行驗證。

操縱模擬和懸垂模擬

試驗件機(jī)身下蒙皮的預(yù)計制造工藝包括將若干纖維放置在子層壓板上，搬運并覆蓋到固結(jié)模具中，見下圖。幾種模型使用不同的吸盤支架創(chuàng)建。最薄的-因此也是最靈活的-蒙皮子層壓板是被選為分析的最壞情況， 它由 6 層組成。

使用吸盤的蒙皮傳輸模型和結(jié)果。左側(cè)為藍(lán)色，平坦的蒙皮和彎曲模具。在右側(cè)，使用吸盤和鏈條朝著模具拾取扁平蒙皮

動態(tài)操縱和懸垂有限元模擬可以很好地了解柔性支架的性能熱塑性蒙皮。支撐吸盤太少會產(chǎn)生相當(dāng)大的彎曲和層間剪切應(yīng)力，吸盤負(fù)載高，可能損壞未固結(jié)的熱塑性塑性蒙皮。真空吸盤裝置3 x 10 的結(jié)果令人滿意，吸盤的正常和剪切載荷在 200 N 的安全極限范圍內(nèi)加載。此外，彎曲受到限制，顯示出 1– 2.4 MPa 的低 ILSS（-interlaminar shear stress） 值。選擇此選項是為了制造和運輸。

結(jié)論：

詳細(xì)的 3D建模和分析對于降低制造過程的風(fēng)險預(yù)測是必要的。介紹的熱塑性蒙皮零件制造的建模步驟是從 CAD 轉(zhuǎn)換而來的層壓板（復(fù)合材料建模器）、纖維鋪放制造模擬（顯式）和薄纖維的動態(tài)處理蒙皮截面和覆蓋過程（隱式和顯式模擬）。仿真結(jié)果提供了有價值的見解。此模擬用于改進(jìn)機(jī)身結(jié)構(gòu)的制造，并第一個時間獲得正確的零件。