当前位置:研发设计首页 >> 软件世界 >> 数字化设计 >> 基于全三维信息模型的复合材料成型工装设计系统研究
基于全三维信息模型的复合材料成型工装设计系统研究
2017-06-27 17:16:05  作者:王晓丽 梁岱春 刘畅  来源:互联网
  •   在航空工业中,从非承力、次承力构件,到尾翼级主承力构件、再到机翼与机身主承力构件,复合材料在各种先进的飞机上应用越来越广。而复合材料构件的制造离不开工艺装备,工艺装备的质量、研制效率直接影响到 ...

  在航空工业中,从非承力、次承力构件,到尾翼级主承力构件、再到机翼与机身主承力构件,复合材料在各种先进的飞机上应用越来越广。而复合材料构件的制造离不开工艺装备,工艺装备的质量、研制效率直接影响到复合材料零件的制造质量以及生产效率,因此,有必要建立适应这些需求的数字化工装设计方法和工具,来满足复合材料构件工装的快速设计。同时,随着数字化技术应用的不断深入,数字化产品定义和数字样机技术的广泛应用,新一代飞机在设计阶段逐步采用全三维设计技术,以全三维模型取代现有以产品图纸和局部数模作为制造依据的传统生产模式,已成为数字化技术发展的必然趋势。全三维关联全过程,设计已经逐渐实现全三维,也要求工艺以及工装的设计基于这种设计模式。因此,在新的研制模式下,提出了对基于全三维信息模型的数字化工装设计技术的迫切需求。

  1 系统总体方案

  基于全三维信息模型的复合材料成型工装设计系统主要以全三维信息模型为载体,以工装设计需求信息为输入信息,以工装设计结果为输出信息,按照“自顶向下”的设计思路,结合实例库以及参数化设计,实现工装的快速设计,系统总体方案如图l所示。

  

图1 总体方案

  图1 总体方案

  1.1 工装设计信息模型建立

  工装设计是一个复杂过程,其设计依据包括零件信息以及包含工装设计技术要求信息在内的工艺信息。通过分析典型复材零件,确定能满足复材零件工装设计全过程的信息,将这些信息进行分类、整理、归纳,按照标准化、规范化的方式在全三维信息模型中描述这些信息,建立工装设计需求信息模型,满足工装设计以及分析优化全过程的数据需求。

  工装设计需求数据集包括零件信息和工艺信息,零件信息主要包括零件型面、零件轮廓、结构轴线和零件尺寸等信息,工艺信息主要包括工艺方法和工装设计技术要求,其中工装设计技术要求包括工装结构、余量线位置、边缘线位置和表面质量等信息,所有这些工装设计需求信息通过基于模型的定义技术进行融合,为后续的工装设计与分析优化奠定基础。工装设计需求信息模型如图2所示。

  

图2工装设计需求信息模型

  图2 工装设计需求信息模型

  工装设计需求信息按照类型可以分为几何信息和非几何信息,几何信息主要指零件型面(或贴膜面)、零件轮廓以及各类结构轴线,在全三维信息模型中,这些信息通过发布特定名称的几何元素实现;非几何信息主要指工装设计的一些技术要求,在全三维信息模型中,采用几何集的形式表示,如图3所示。

  

图3 工装设计需求信息几何集

  图3 工装设计需求信息几何集

  1.2 基于知识的工装详细设计

  基于知识的工装详细设计包括工装的总体结构形式确定、各工装零件的约束关系确定以及工装型面与零件的关联设计等几个部分。

  首先,根据工艺方案以及工装设计技术要求,形成检索条件,检索工装设计规则库,确定工装的总体形式;在总体形式确定的基础上,建立各个工装零件之间的约束关系,形成工装结构;最后,通过“零件一工装”关联设计技术,建立零件与工装之间的关联关系,在标准件库和参数化模型库的支撑下,驱动生成工装模型。基于知识的工装详细设计过程如图4所示。

  

图4 基于知识的工装详细设计过程

  图4 基于知识的工装详细设计过程

  其中,“零件一工装”关联设计和基于参数化的工装模型设计是基于知识的工装详细设计的核心。首先,工装总体结构和零件形状息息相关,采用“零件一工装”关联设计,可以在工装设计完成后,如果零件发生更改,可以快速完成工装的更改;其次,对于某种类型的复材工装,其结构形式相对固定,由一些基本的特征零件组成。这些零件不仅有自身的尺寸参数,同时这些零件之间也存在位置和尺寸上的约束关系,如框架式工装中隔板的厚度、开口形式及尺寸、纵向隔板的间距以及横向隔板间距等。因此,在确定工装总体结构的基础上,工装结构的设计主要为确定这些参数值,从而完成整个工装的设计。

  1.3 工装结构分析与优化

  复合材料成型过程中,工装结构直接影响到复材产品的质量,因此工装结构的合理性尤为重要。工装结构分析与优化主要从两个方面开展研究,一方面是考虑工装整体结构刚性,利用分析手段进行工装典型结构形式及尺寸的优化设计;另一方面是考虑热均匀性影响的热压罐工艺复材工装优化,对于热压罐工艺的工装,如果模具体厚度、支撑板散热孔结构设计不合理,就会导致复材表面受热不均匀,影响固化过程,产生废品,通过仿真热分析,可以对比不同结构对模具表面温度的影响,优化出合理的工装结构。

  工装结构分析与优化模块的流程如图5所示。首先从CAD系统中导出设计完成的工装模型,在有限元分析软件中进行模型的重构,去除对分析结果影响较小的特征如倒角、定位孔等,然后在模型上加载条件,进行有限元分析。分析完成后,如果分析结果不满足实际需求,依据分析结果对设计进行优化,完成工装结构的分析与优化过程。工装结构的分析与优化过程可以是一个不断迭代的过程,直到分析结果满足设计需求。

  

图5 工装结构分析与优化流程图

  图5 工装结构分析与优化流程图

  2 关键技术

  2.1 全三维“零件一工装”系统的关联设计

  对于复合材料成型工装设计来讲,全三维“零件一工装”系统的关联关系主要包括形状关联和尺寸关联,基于零件形状和尺寸变化驱动的工装关联设计,是实现工装设计的核心技术。

  形状关联定义了零件和工装之间的关键配合关系,包括零件的型面以及零件的轮廓与工装的关联,由零件型面以及零件的外轮廓关联生成工装型面以及工装的轮廓,由零件的轮廓确定工装框架;尺寸关联定义了零件尺寸对工装的影响关系,包括零件轮廓尺寸以及零件上筋条的位置尺寸与工装的关联,由零件的轮廓尺寸决定工装的轮廓尺寸,零件上如果有筋条,工装上筋条的位置轴线也由零件上筋条的位置尺寸生成。技术方案如图6所示。

  

图6 零件工装关联设计技术方案

  图6 零件工装关联设计技术方案

  2.2 工装设计流程模板定义

  针对复合材料构件,同一类型构件工装设计流程大致相同,针对一类构件,抽象工装设计流程模板,在基于知识的工装详细设计技术支撑下,指导工装设计人员快速完成工装设计工作。

  以蒙皮类零件成形工装为例,其工装设计流程如图7所示。首先从全三维信息模型中提取工装设计需求信息,然后根据零件型面进行型面修补、拓展、等距等创建模具型面,然后根据零件轮廓生成工装轮廓,进行拉伸、切割等距面进而生成模具体;之后根据零件轮廓以及模具框架设计参数生成模具支撑框架,最后在框架上生成减重孔,完成整个工装的设计,具体流程如图7所示。

  

图7 蒙皮零件成形工装设计流程

  图7 蒙皮零件成形工装设计流程

  3 系统执行流程

  系统执行流程如图8所示。首先根据零件模型、工艺信息以及工装设计要求,基于工装实例库对工装的总体方案进行规划,然后从蒙皮成形框架式模具设计、筋条成形模具设计、芯模设计以及定位装置设计几个方面,基于知识开展工装的详细设计,设计完成后对工装设计结构进行分析与仿真优化,依据优化结果对工装的设计结构进行调整,完成工装设计。整个工装设计过程基于零件的全三维信息模型,并且考虑产品设计、工艺设计以及工装设计的并行协同工作,因此零件的设计更改以及工艺的设计更改都可以及时反应到工装的设计中。

  

图8 软件执行流程

  图8 软件执行流程

  4 系统实现方法

  基于全三维信息模型的复材工装数字化设计系统基于Oracle数据库平台,在CATIA系统之上,采用CATIA CAA二次开发工具进行开发。系统主要包括工装设计需求信息建模、工装总体方案确定、基于知识的工装详细设计和工装标准件库4个部分。系统总体结构图如图9所示。

  

图9 系统总体结构图

  图9 系统总体结构图

  工装设计需求信息建模的主要功能是从全三维信息模型中,读取复材工装设计的需求信息,包括复材零件模型、工艺信息以及工装设计技术要求等,建立复材工装设计需求信息模型,从而满足工装设计不同阶段的数据需求。

  工装总体方案包含的主要内容有工装的定位形式、芯模的形式以及芯模的组合方式。工装总体方案的确定方式有两种,一种是通过读取工装设计技术要求中的总体方案信息来确定,另一种是通过向导选择的方式来方案进行匹配,选定工装的最终方案。

  基于知识的工装设计是以工装设计需求信息为数据源,以工装总体方案为约束,依据工装设计规范、推理规则、标准件,典型工装实例等基本设计知识,实现工装详细布局、各零件约束关系等的设计规范和工具。工装设计规范、推理规则、标准件库、典型工装实例库总称为工装设计知识库,是工装设计的基础数据集。基于知识的工装设计主要包括工装详细设计和工装结构分析与优化两个部分。

  工装标准件库是将复材工装设计过程中常用的标准件以及常用件,按照参数化的形式建立标准件库,根据用户或设计工具选择的尺寸参数系列,自动驱动生成标准件或常用件的模型,从而提高工装设计的效率。

  按照系统总体结构,在CATIA系统之上,开发系统总体框架,框架中功能如图10所示。

  

图10 系统功能界面

  图10 系统功能界面

  5 结论

  基于全三维信息模型的复材工装设计系统,可实现工装设计过程与产品设计以及工艺设计并行开展,将工装设计大大提前,可以有效缩短产品研制周期;同时,工装设计与产品设计以及工艺设计基于相同的三维模型,大大提高设计的数字化协调效率,产品设计和工艺设计的更改可以很快的反应到工装设计中,不仅减少工装的设计修改,还可以有效减低工装设计的错误率。另外,工装设计过程中,不仅应用了零件一工装关联设计、基于知识的工装设计等关键技术,同时大量采用工装实例库以及工装标准件库,也可以有效提高工装设计人员的设计效率与质量。

  通过以上分析可以看出,利用基于全三维信息模型的复材工装设计系统,不仅可以缩短工装设计的周期,提高工装设计的质量,同时可以降低工装设计返工,从而大大缩短产品研制周期,提高产品研制质量。



版权所有:智造网 京ICP证100778号 京公网安备110102003025 虚假新闻举报电话:010-88379107