杨超凡：热塑机身蒙皮模拟制造
来源：杨超凡 2021-12-24 10:52:18
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-11723.html 在空客 “洁净天空 2”研发项目中，通过一项研究对新型单通道（类似空客 A320 ）机身的设计和制造了热塑机身试验件（直径4米、长度8米）。该试验件的主要目标是实现高产量 ，每月至少制造 60 架飞机的速率，并减少结构重量和经常性成本。设想的试验件应验证机身结构、系统货物和设备的高潜力多功能组合 。 新技术为下一代单通道机身和客舱，采用先进材料创新设计 、制造提供依据。
机身试验件的 CAD 模型
热塑复材机身试验件的关键创新之一是预装机身的模块化组装子组件 。在设计和制造此类集成多学科机身分总方面迈出一步， 包括结构、系统、客舱和货舱的组件需要材料和制造方法。热塑性复合材料，及其高度自动化纤维铺放技术和先进的连接方法，提供了生产所需的灵活性和效率 ，以便生产更多的预装配子组件，实现未来模块化组装过程的制造供应链。
为单通道下一代机身提供两位数的燃油消耗减少 ，需要将客舱、货舱和物理系统元素集成在一起的结构概念。未来全装备单通道飞机身的总体目标是：
• 实现每月至少 60 架次 的高速生产（ HRP - High Rate Production）
• 将机身总重量减少 将机身总重量减少 10%
• 将经常性成本降低 将经常性成本降低 20%
为此，将开发、制造和交付全尺寸机身部分试验件。试验件下半部分为 180° 全尺寸多功能集成热塑性机身外壳，包括客舱和货地板结构以及相关的主要内部和系统元件。先进的设计原则，创新的系统架构、先进的材料和工艺，为下一代产品提供高潜力解决方案。
实现多功能结构的先进设计原则之一是虚拟过程技术的使用。在过去五年中，虚拟程模（也称为制造模拟、虚拟制造）使用物理行为已受到越来多的关注。虚拟过程模好处是为了在实际制造之前解工艺参数的行为和影响，通过缓解措施降低风险。
从CAD模型到有限元分析结果的工作流程
研究了用于全尺寸单通道机身蒙皮部件的制造方法，以支持虚拟处理模拟，见上图。由于考虑了大型多功能系统的复杂性结构、批生产和试验件制造的风险以及详细程度。详细的 3D 建模和分析对于制造过程的预测，对于高水平的 制造精度是必需的。 本文中给出的结果将包括以下建模步骤：从 CAD（复合材料建模器）到自动纤维铺放制造模拟（显式）和薄皮部分和表面的动态处理悬垂过程（隐式和显式模拟）。
复合材料建模器
复合材料蒙皮由 CAD 文件（Catia）中定义的许多层和铺层组成。 正确转移将几何数据和复合材料数据输入有限元软件可能非常具有挑战性。此外，详细的从 CAD 中定义的曲面机身蒙皮到制造所需的平面蒙皮模型的转换模拟带来了额外的挑战。因此，层的纤维方向和层的法线方向层压板需要考虑。要执行此转换，将使用具有上述测绘精度高。Abaqus/CAE 复合材料建模器扩展了铺层建模 Abaqus 提供纤维模拟功能。
纤维铺放模拟
使用纤维铺放设备进行复合材料 AFP-Automated Fibre Placement 铺放。为了深入了解该生产过程的行为和动态，使用动态在纤维放 置上执行显式操作。该方法允许使用 DOE-design of experiment 评估设 计空间，例如：利用复合材料的材料损伤参数研究粘性对模具、弯 曲和切割的影响以有效的方式使用纤维/丝束。虚拟纤维放置头可同 时放置 8 根复合纤维束。与大多数 AFP 模拟相比，这包括物理效应。 这种类型的模拟对于纤维放置非常有用具有复杂的几何结构或纤维 转向，可能有褶皱。这方面的定性比较技术已经实施，但到目前为 止还没有完全验证。
用于制造蒙皮的纤维铺设技术
操纵模拟和悬垂模拟
机身蒙皮的制造过程包括将多个子层压板搬运和覆盖到固结模具中。为了深入了解这些相当大和薄的对柔性蒙皮子层结构进行了 动力显式仿真。这种模拟扩展了经验从舱门周围小尺寸面板的实际 测试到全尺寸蒙皮。蒙皮是用吸盘抓起的然后小心地放入弯曲的模具中。
将纤维放置到模具后的蒙皮示意图，包括从平面到曲面 的形状过渡，以及右边是一个真空提升装置的图像
用建模的方法可以改变层压板厚度、吸盘数量及其在蒙皮上的分布。这些模拟的主要目的是详细分析这些大而薄的层 压板在转移过程中的行为，避免在运输到模具的过程中损坏蒙皮。 还有可以研究较厚的舱门周边的层压板。这些要求是在最大吸盘负载为预成型层压板弯曲产生的 200 N 和层间剪切应力（ ILSS- interlaminar shear stress）为 6 MPa。操纵和悬垂模拟尚未得到验证。 对吸盘负载等输入进行了测试。
复合材料建模器
复合材料建模器用于创建蒙皮有限元模型。在试验件建模文件中，蒙皮设计包含 120 多个详细的铺层定义。这些定义在中是有效的蒙皮的不同区域，以创建平衡和设计的蒙皮。手动执行此操作将 非常重要因此使用了复合材料建模器。这将使用 CAD Catia 文件和 Abaqus 有限元网格作为将层压板映射到网格的输入。进行了两种设 计，一种是包含 50000 个元素的粗略设计，另一种是包含500.000 个元件（S4R-Shell element Abaqus）。对于第二种设计，网格的结构也更为结构化，以便能够正确绘制坡道区域使用平均尺寸为 10 mm 的元素。
复合材料建模器绘制的蒙皮
成功地将层压板从 CAD 绘制出有限元模型。总体由于有大量的层 定义和截面，计算性能被证明是具有挑战性的。这个绘制有限元蒙 皮模型的结果用于描述的操纵和悬垂模拟。
纤维铺放模拟
为了了解该过程，使用 Abaqus Explicit，即所谓的虚拟 FPM（- Fibre Placement Manufacturing）。这包括以下部件，如下图所示：金属模 具（浅黄色）、纤维铺放头和牵引导管（蓝色）、单个牵引（共 8 根）、 切割刀、滚筒（蓝色）。模具、切割刀和纤维铺放头为刚性部件。碳 纤维增强塑料丝束具有弹性和损伤模型，并与模具发生内聚作用（粘 结）。辊子也有弹性橡胶性能。
纤维铺设模拟（虚拟 FPM）
模拟结果如上图所示，其中使用中间切割铺放了两层。这个 仿真结果在定性方面是令人满意的，与纤维铺放有良好的对应关系 在现实中使用视觉比较的行为。计算时间为 2 小时，8 个 CPU-Central Processing Unit 计算工作量很大。它对过程的灵敏度和速度提供了有 价值的见解。该方法将用于蒙皮具有挑战性的领域。此时，使用此 方法模拟整个蒙皮部分是不可行的由于计算的限制。进一步的工作 还包括热模拟和激光的结合加热后进行冷却变形模拟，并使用实际 测量值进行验证。
操纵模拟和悬垂模拟
试验件机身下蒙皮的预计制造工艺包括将若干纤维放置在子层 压板上，搬运并覆盖到固结模具中，见下图。几种模型使用不同的 吸盘支架创建。最薄的-因此也是最灵活的-蒙皮子层压板是被选为 分析的最坏情况，它由 6 层组成。
使用吸盘的蒙皮传输模型和结果。左侧为蓝色， 平坦的蒙皮和弯曲模具。在右侧，使用吸盘和 链条朝着模具拾取扁平蒙皮
动态操纵和悬垂有限元模拟可以很好地了解柔性支架的性能 热塑性蒙皮。支撑吸盘太少会产生相当大的弯曲和层间剪切应力，吸盘负载高，可能损坏未固结的热塑性塑性蒙皮。真空吸盘装置3 x 10 的结果令人满意，吸盘的正常和剪切载荷在 200 N 的安全极 限范围内加载。此外，弯曲受到限制，显示出 1–2.4 MPa 的低 ILSS（-interlaminar shear stress）值。选择此选项是为了制造和运输。
结论：
详细的 3D 建模和分析对于降低制造过程的风险预测是必要的。 介绍的热塑性蒙皮零件制造的建模步骤是从 CAD 转换而来的层压板（复合材料建模器）、纤维铺放制造模拟（显式）和薄纤维的动态 处理蒙皮截面和覆盖过程（隐式和显式模拟）。仿真结果提供了有价 值的见解。此模拟用于改进机身结构的制造，并第一个时间获得正确的零件。
文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-11723.html
