軍用新材料技術(shù)及其應(yīng)用-閱讀頁
2024-12-22 20:27本頁面
【正文】 和數(shù)字化的數(shù)據(jù)庫技術(shù)等進(jìn)行統(tǒng)籌管理。就航空復(fù)合材料的數(shù)字化和 CAE 應(yīng)用技術(shù)而言，研究建立我國(guó)先進(jìn)的復(fù)合材料數(shù)據(jù)體系和數(shù)據(jù)庫已成為當(dāng)務(wù)之急，其中也蘊(yùn)藏著技術(shù)創(chuàng)新和體制創(chuàng)新的大好機(jī)遇。為此，北京航空材料研究院正在組建包括有關(guān)廠所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，其目標(biāo)是建立符合國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)先進(jìn)和管理先進(jìn)，面向用戶的航空先進(jìn)復(fù)合材料數(shù)據(jù)體系 及數(shù)據(jù)庫（圖 4），為航空復(fù)合材料科技工業(yè)的跨越式發(fā)展奠定扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和支撐平臺(tái)。在復(fù)合材料數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)體系的支撐下，我國(guó)航空先進(jìn)復(fù)合材料 CAE 技術(shù)的目標(biāo)將是實(shí)現(xiàn)由模擬量設(shè)計(jì)制造向數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)變，同時(shí)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)制造先于真實(shí)設(shè)計(jì)制造、虛擬設(shè)計(jì)制造與真實(shí)設(shè)計(jì)制造同步發(fā)展的創(chuàng)新模式，帶動(dòng)我國(guó)航空復(fù)合材料和國(guó)防復(fù)合材料技術(shù)的科技進(jìn)步與跨越式發(fā)展。 步驟 2： 根據(jù)特定設(shè)計(jì)規(guī)范（例如防撞性、復(fù)合材料、振動(dòng)噪聲、舒適度、框架裝配等），將一系列虛擬測(cè)試鏈接起來，進(jìn)一步減少試驗(yàn)樣機(jī)數(shù)量。為此， ESI 推出虛擬工程一體化的解決方案（圖 4），包括 “1G”： 通過本質(zhì)上 在數(shù)字試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌紤]材料物理，以更好地理解、改進(jìn)或取代特定的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，達(dá)到更好地試驗(yàn)的目的。 “3G” PLM：通過整合和同步多個(gè) 2G 價(jià)值鏈系統(tǒng)，達(dá)到在虛擬樣機(jī)、虛擬制造環(huán)境下連續(xù)協(xié)作開發(fā)和多學(xué)科系統(tǒng)性改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)無樣機(jī)（全虛擬）的目的。 以先進(jìn)的樹脂液態(tài)注塑成型（ Resin Transfer Molding， RTM）的船用全復(fù)合材料推進(jìn)螺旋槳的虛擬設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)為例 [iv]，先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用 RTM 軟件和有限元方法 ，對(duì)液態(tài)復(fù)合材料注塑成型的工藝過程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。在不同厚度處不同的鋪層由各處曲面展開得來，復(fù)合材料制品鋪層開片、下料和鋪貼的數(shù)字化工具包括 PAMFORM 軟件等。根據(jù)初步確定的 RTM模具，這個(gè)槳葉預(yù)制件的 RTM 工藝過程可以在 CAE 環(huán)境下進(jìn)行，圖 6 為這個(gè)槳葉的充模流動(dòng)過程的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果見圖 8a。 RTM 工藝虛擬設(shè)計(jì)和制造的另一個(gè)案例也取自重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的液態(tài)成型整體制造的飛機(jī)尾翼模型（圖 8），其中， a 是模型尾翼的數(shù)值建模， b 是用 RTM 液態(tài)成型技術(shù)制造的縮比尾翼。 值得特別一提的是，正確地把握一個(gè)材料制備或制造的技術(shù)系統(tǒng)是正確進(jìn)行模擬仿真的基礎(chǔ)和前提，其中，發(fā)展自己在材料和制造技術(shù)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力與吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)為 我所用相輔相成。圖 9 的框圖事實(shí)上也是先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在紡織復(fù)合材料 RTM 液態(tài)成型技術(shù)研究方面的創(chuàng)新重點(diǎn)和核心技術(shù)領(lǐng)域。依據(jù)增強(qiáng)體和纖維的剪切率計(jì)算了滲透率，采用在鋪層設(shè)計(jì)中獲取的增強(qiáng) 體變形信息修正滲透率，變形信息來源于配套軟件 PAMFORM， QUIKFORM， CATIA Composites Part Design 和 FiberSim 等。零件網(wǎng)格、接觸點(diǎn)和纖維方向是QUIKFORM 典型的輸入數(shù)據(jù)，而輸出數(shù)據(jù)則有纖維走向，剪切角和復(fù)合材料零件平面展開圖。作為一個(gè)軟件系統(tǒng)，PAMRTM 使用 QUIKFORM 計(jì)算纖維的走向以改進(jìn)液態(tài)注塑成型過程仿真的精度；在計(jì)算有限元模型單元的剛度時(shí)， SYSPLY 也使用QUIKFORM 計(jì)算的纖維走向，以提高應(yīng)力分析的精度。 2G 是一種對(duì)非金屬材料成型過程進(jìn)行預(yù)測(cè)性虛擬仿真的專業(yè)工程軟件，它可以處理層合板成型，塑料片材 成型和紡織纖維成型等，為復(fù)合材料和塑料工業(yè)提供在計(jì)算機(jī)上驗(yàn)證和優(yōu)化非金屬材料制造工藝的功能。當(dāng) PAMFORM 用于工裝工具的設(shè)計(jì)過程時(shí)，可大大減少物理嘗試的次數(shù)以及試驗(yàn)?zāi)＞叩臄?shù)量。 ESI 的 SYSPLY 是一個(gè)專門用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的工程軟件，它可以很容易地在各種制造過程（如纏繞，覆蓋等）之前就計(jì)算出復(fù)合材料層合板的力學(xué)特性，深入分析復(fù)合材料零件的靜力和動(dòng)態(tài)特性，從而加快設(shè)計(jì)過程，減少材料浪費(fèi)和物理樣機(jī)數(shù)量。 SYSPLY可交互式計(jì)算任意鋪層組 合的總體等效機(jī)械性能，并可通過應(yīng)力、鋪層失效和動(dòng)態(tài)特性分析來校核復(fù)合材料零件的設(shè)計(jì)方案。 結(jié)束語 全面推進(jìn)航空制造業(yè)，特別是航空先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)進(jìn)步、大幅度提升航空企業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路是數(shù)字化，為此，必須建立扎實(shí)、實(shí)用、先進(jìn)的數(shù)據(jù)體系和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并同時(shí)廣泛采用先進(jìn)的CAE 技術(shù)。本文僅僅 從數(shù)據(jù)問題和虛擬仿真問題這兩個(gè)側(cè)面入手，嘗試論述有關(guān)的進(jìn)展，介紹我們自己及其合作伙伴的工作，適當(dāng)展望了發(fā)展的遠(yuǎn)景，其目的是交流、促進(jìn)。在先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新實(shí)踐中，材料技術(shù)創(chuàng)新和制造技術(shù)創(chuàng)新是我們的本，先進(jìn)的 CAE 系統(tǒng)是我們必須積極運(yùn)用的工具，兩者的結(jié)合將催生新的發(fā)展機(jī)遇。 [1] 先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（ National Key Laboratory of Advanced Composites，簡(jiǎn)稱 LAC）與 ESI 公司和 ATE 公司合作建立的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 [i] 徐冠華 “實(shí)施科學(xué)數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)力 ”基礎(chǔ)性工作動(dòng)態(tài)（特 刊）第 12 期（總 32） p3。北京航材院數(shù)據(jù)管理中心內(nèi)部報(bào)告， 2022 [iii] 美國(guó)軍用復(fù)合材料手冊(cè)（ MILHDBK17F）網(wǎng)絡(luò)版（英 文）及中譯本（沈真， 623 所） [iv] 益小蘇 《先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展》，國(guó)防工業(yè)出版社，2022 作者簡(jiǎn)介：益小蘇，博士、教授，北京航空材料研究院科學(xué)技術(shù)委員會(huì)主任，先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。電話： 01062496740，傳真： 01062496741，電子郵箱
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