摘要：眾所周知，碳纖維複合材料相較於其他金屬材料，具有高比強度、高比剛度、重量輕、能夠實現結構功能一體化等明顯優勢，已經被用於民品、汽車、軌道交通、航空航天等各種不同領域。西門子公司的FiberSim軟體在複合材料設計及工藝領域內具有極其重要的地位，對於一些簡單零部件可採用Basic基礎模塊進行鋪層設計，對於高鐵、航空行業複雜零部件可採用Advanced高級模塊進行分區鋪層設計。本文通過闡述FiberSim軟體的Volume Fill體積填充自動生成鋪層的功能，對航空發動機風扇葉片進行設計，探索出一套適用於變曲面不等厚零件的鋪層設計流程，並能夠應用於不同行業領域中結構形式類似的相關零部件。
關鍵詞：碳纖維 複合材料 鋪層設計 體積填充
1 引言
基於體積的鋪層填充功能（Volume Fill Composite Part Development）是FiberSim2015版本開發出來的新功能，是一個非常強大的自動創建鋪層的設計模塊，可以根據所選擇零件的封閉曲面來自動生成鋪層並進行填充，設計人員只需在CAD三維軟體內對模型進行前處理，提取出相關元素，即上表面、下表面（或中面）、坐標系原點、坐標方向、設計及工藝邊界，並確定所選用的材料，FiberSim便能夠自動根據特定地方的厚度，計算出合適的鋪層數目來進行填充，在鋪層數目確定後還可以調整鋪層順序。設計完成後，FiberSim可以根據特定鋪層在3D空間的位置，直接生成平面展開圖、三維標註等結果，並導出裁料鋪層尺寸及鋪層表等圖紙文件。該方法尤其適用於航空發動機風扇葉片或類似的結構，快速並高效的提升設計及分析階段的工作效率。航空發動機風扇葉片如圖1所示。
圖 1 航空發動機風扇葉片
本文以航空結構件發動機風扇葉片為例，採用Catia軟體進行三維建模及零件前處理，並採用FiberSim軟體的Volume Fill自動體積填充模塊進行鋪層設計，最終得到相關設計成果以面向實際工藝生產製造。風扇葉片的Catia模型結構樹及FiberSim設計成果展示如圖2所示。
圖 2 發動機風扇葉片設計成果展示
2 Catia&FiberSim設計流程
2.1 創建幾何要素
以Catia模型為設計輸入，對其進行前處理並創建基本特徵幾何要素，其中包括：
1) 上表面：提取葉片體上表面，接合後方向朝下，名稱為SS_Surface；
2) 下表面：提取葉片體下表面，接合後方向朝上，名稱為PS_Surface；
3) 中心面：抽取葉片體中心面，接合後方向朝上，名稱為Mid-Surface_SS；重新提取葉片體中心面，接合後方向朝下，名稱為Mid-Surface_PS；
4) 設計邊界、坐標系原點、方向創建在中心面特徵位置上（註：此處中心面有兩個，兩個中心面的接合方向不同，但位置是重合的，設計邊界及原點、方向創建在中心面位置處即可，無需與中心面關聯）。
基本特徵結構樹及相關幾何要素，如圖3所示。
圖 3 基本特徵幾何要素創建
2.2 創建層壓板（Laminate）
啟動FiberSim，打開Volume Fill的Design模塊，創建Laminate，Name欄輸入Mid-Surface_SS，Sequence欄為A，Step值為1起始，材料選擇織物PPG-fine，鋪貼面選擇Mid-Surface_SS，設計邊界選擇Laminate Boundary，參數輸入界面如圖4所示。
圖 4 Mid-Surface_SS參數輸入界面
創建Laminate Mid-Surface_PS，定義為A1，鋪貼面選擇Mid-Surface_PS，設計邊界與材料不變，創建完成的兩個Laminate如圖5所示。
圖 5 兩組層壓板創建完成
分別選中兩個Laminate並返回CATIA界面查看高亮顯示，模型中黃色箭頭為鋪層的鋪疊秩序方向，兩個Laminate代表以中心面為基準，分別向上表面方向（SS）和下表面方向（PS）開始鋪層，如圖6所示。
圖 6 鋪疊秩序方向定義
2.3 創建坐標系（Rosette）
新建ROS001，層壓板選擇Mid-Surface_SS，原點及方向選擇所創建的元素，Display length欄修改為12.5mm，參數輸入及完成界面如圖7、圖8所示。
圖 7 ROS001操作界面
圖 8 坐標系創建完成
2.4 體積填充（Volume Fill）
點擊Volume Fill，圖標為 ，創建上表面及中面間的鋪層體積填充，Name欄輸入Suction Side，Laminate選擇中面Mid-Surface_SS，坐標系選擇ROS001，Fillto Surface欄選擇上表面SS_Surface，角度序列欄輸入0，45，90，-45。點擊GenerateLayers，下窗口自動生成28條鋪層信息。關於上表面及中面間的體積填充操作及生成界面如圖9所示。
圖 9 Volume Fill操作及生成界面
返回Catia界面，查看體積填充自動生成的鋪層邊界，如圖10所示。
圖 10 Volume Fill生成鋪層邊界
2.5 修復不完整層LYR004
打開FiberSim並切換到Layer模塊，可以發現，在Layer鋪層列表中存在4個不完整層（incomplete），在接下來的任務中，我們來闡述如何修復這些不完整層。
首先修復LYR004，切換回Catia界面，可以發現結構樹中已經生成了幾何圖形集Suction Side，將LYR004_incomplete內的4個圖形特徵，轉移到LYR004圖形集中。回到FiberSIM的Layer模塊下，刪除LYR004_incomplete，編輯LYR004，在Geometry下的Net Boundary欄選擇Catia結構樹中LYR004下的8個特徵，點擊確認，返回Catia查看修復完成後的LYR004。相關操作過程及編輯修復界面如圖11、圖12所示。
圖 11 圖形集轉移及新邊界顯示
圖 12 LYR004修復界面
2.6 重新命名LYR002及LYR005
打開FiberSim的Layer列表，選中LYR002_incomplete，返回Catia界面檢查模型中的層邊界，可以看到，其封閉形式（綠色）是正確的，同樣的，LYR005_incomplete的封閉形式（藍色）也是正確的。將Layer中兩個incomplete層重新命名為LYR002及LYR005，Catia結構樹中的名稱也進行相應修改。兩個層的邊界顯示如圖13所示。
圖 13 LYR002及LYR005邊界顯示
2.7 修復不完整層LYR010_1
打開Catia結構樹，檢查不完整層LYR010_incomplete中的幾何特徵，放大後可以發現，曲線特徵是沒有封閉的。採用直線命令，將不封閉區域進行連接，並將名稱修改為LYR010_1。修改完成後的圖形集及封閉區域如圖14所示。
圖 14 LYR010_1邊界修型
切換回FiberSim的Layer列表，編輯LYR010_incomplete，原點選擇封閉區域內的點，設計邊界欄添加新做的直線，使邊界圖形封閉，Name修改為LYR010_1。LYR010_1修復界面如圖15所示。
圖 15 LYR010_1修復界面
修復完成後的LYR010_1鋪層邊界如圖16所示。
圖 16 LYR010_1邊界顯示
2.8 生成層表面
返回Volume Fill，編輯Suction Side，點擊 命令，生成鋪層表面，即下窗口中的鋪層狀態欄全部顯示為綠色。全選中並返回Catia界面中進行觀察，可以看到，關於葉片上表面和中面間的所有鋪層面已經根據給定的鋪疊順序進行生成。層表面生成如圖17所示。
圖 17 層表面生成顯示
2.9 生成展開圖
按照上述相同步驟，進行風扇葉片下表面及中面間的自動體積填充鋪層設計，並將零件的所有Layer生成Ply，最後進行展開圖生成，生成的模型展示如圖18所示。
圖 18 展開圖生成
2.10 生成Ply Book二維圖
最後採用FiberSim中Documentation模塊下的Ply Book功能，將風扇葉片的三維空間展開圖，以單層平鋪的形式導出到Catia二維圖紙上，並可以提供給工藝部門進行纖維層或預浸料的下料裁剪，其中不同角度的鋪層圖紙如圖19、圖20所示。
圖 19 P001、P002 Ply Book圖紙
圖 20 P003、P004 Ply Book圖紙
3 結論
綜上所述，基於FiberSim軟體的發動機風扇葉片設計，即Volume Fill體積填充並自動生成鋪層的設計流程已經介紹完成。此種設計方法，可以節省傳統方式下創建及修剪大量幾何曲面所耗費的時間，使設計人員更為專注於複合材料鋪層本身的設計，能夠自動適應不同設計方案的更改，加快設計及分析的迭代過程，並更加貼近於實際生產製造鋪貼工藝。
參考文獻
[1] 陳紹傑，高樹理，宋煥成，李順林《複合材料設計手冊》 航空工業出版社 1990
[2] 沈真，章怡寧，黎觀生，李野《複合材料結構設計手冊》 航空工業出版社 2001