基于FiberSIM软件的复合材料对比试块缺陷设计

曹旋 宁宁

摘  要：民航无损检测技术是航空器持续适航的重要保障，对比试块缺陷研究是无损检测技术的重要组成部分。为了研究复合材料中出现的缺陷类型，基于FiberSIM软件的数字化设计制造一体化技术，结合CATIA软件，对复合材料对比试块的缺陷进行设计和仿真，从而为后续的对比试块的制造和检测研究提供依据。

关键词：无损检测;对比试块;缺陷;复合材料;FiberSIM

中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）30-0016-02

Abstract： Civil aviation nondestructive testing technology is an important guarantee for the continuous airworthiness of aircraft， and the study of comparative test block defects is an important part of nondestructive testing technology. In order to study the types of defects in composite materials， the defects of composite materials are designed and simulated based on the integrated digital design and manufacturing technology of FiberSIM software and CATIA software， thus providing a basis for the subsequent comparative test block manufacturing and testing research.

Keywords： nondestructive testing; contrast test block; defect; composite material; FiberSIM

引言

复合材料具有强度高质量轻以及抗疲劳的特点，广泛运用在民用航空飞行器上。未来复合材料在航空器上的运用也将保持高速增长的趋势。由于飞行器上复合材料随着使用时间的增长，会出现不同类型和不同程度的损伤，为了在其危害飞行器安全之前发现，我们就要研究检测这些缺陷的方法和检测间隔。因此研究復合材料的损伤缺陷尤其重要。要研究复合材料的损伤缺陷，我们就要设计出飞机上真实的缺陷，为后续的测试实验做准备。

FiberSIM具有独特的复合材料仿真技术，能够预测复合材料层与层之间贴合情况，对于复合材料对比试块的研制具有重要意义。利用FiberSIM软件设计出与被检测结构一致的层数和铺层角度，并且对需要研究的缺陷进行设计与仿真，得到理论上需要的对比试块，不仅可以设计复合材料的缺陷参数，而且可以指导对比试块的生产制造。本文利用CATIA与FiberSIM软件集成的数字化设计一体技术，从对比试块的外形设计、选材、工艺装配以及缺陷设计进行论述，为复合材料无损检测对比试块设计提供思路。

1 复合材料对比试块结构缺陷

航空复合材料蜂窝夹芯结构由层合板中间通过胶粘剂粘接一层蜂窝芯组成，蜂窝夹芯结构具有高强度、高刚度、重量轻以及抗疲劳等优点，在航空航天领域被广泛使用。这种结构受到冲击会造成不同类型的损伤。其中缺陷可以分为以下几类：

（1）复合材料的层合板之间的分层;

（2）层合板与蜂窝夹芯之间的脱粘;

（3）蜂窝夹芯的破裂或坍塌;

（4）蜂窝夹芯内积水。

本文研究的是复合材料蜂窝夹芯结构的层合板之间分层缺陷和层合板与夹芯之间的脱粘缺陷，利用FiberSIM软件精确的设计对比试块中这两类缺陷形状和大小，可以快速可视化缺陷的形状和位置，从而为后续的制造和研究提供准备。在工程实际中，脱粘和分层区域的形状一般是椭圆形，所以将缺陷设计为椭圆形。为了尽量避免两种缺陷之间的相互影响和减少边界效应，将缺陷设计在试块上的不同区域：a. 将脱粘缺陷设计在蜂窝夹芯与层合板之间，脱粘区域位于蜂窝区域的中间处;b. 将分层缺陷设计在不含蜂窝区域处，分层区域设计在铺层与铺层之间。

2 CATIA建立对比试块三维建模

首先利用CATIA软件设计出需要被检测的零件一致的几何图形，为FiberSIM铺层设计（铺层面的提取、蜂窝夹芯边界、铺层边界、制造边界、坐标点制作）做好准备工作。

将试块设计成两块（每块厚度为1.524mm）矩形的层合板中间夹着一层厚度为10mm的蜂窝夹芯，其中每块的层合板是由8层铺层组成。FiberSIM铺层设计需要提前设计试块的三维几何图形，并提取所需要的几何元素为铺层设计和缺陷设计做准备。

3 层合板铺层几何准备

把设计好的试块的三维图导入CATIA中，切换到创成式外形设计模块，然后在试块的三维几何图形的底部提取曲面，并且铺层方向往上，并且对该提取面抽取完整的边界，这就是层合板模面的设计边界，并命名为净边界。点击外插延伸功能（    ），然后对曲面按需要往外延长，再用点击拼接功能（   ），将曲面延伸后的曲面拼接，得到了层合板的铺层面，再次提取铺层面的边界，就得到了层合板铺层的制造边界，点击拼接功能，拼接制造边界并命名为扩展边界。

然后在铺层面上中间的位置任意选取一个点，定义为铺层面的参考方向原点，然后以参考方向原点为起始点以X轴方向绘制一条5mm的直线，并命名为参考方向线，这就绘制好了原点坐标。

过渡轮廓的创建

蜂窝处的过度区域

在蜂窝的四个周面的每一个面上创建一个点分别为a，b，c，d，然后再创建经过a点且平行于a点所在平面的平面A，以此类推，分别创建经过b，c，d的三个面的平面B，C，D。然后利用相交功能（    ）得到四个面与层合板底面铺层面的交线，剪切多余的线条，就得到了蜂窝的边界，然后点击拼接功能（    ），拼接该交线后命名为蜂窝边界。

4 FiberSIM软件缺陷设计

在CATIA软件中做好了几何准备之后，然后利用FiberSIM软件定义复合材料的铺设边界、铺层数量、铺设方向、坐标系位置、蜂窝夹芯结构类型、缺陷位置、缺陷形状和大小等。

4.1 创建层合板

在创建缺陷之前首先设计试块的铺层设计，进入FiberSIM界面，创建层合板，点击功能树中的层合板，创建层合板标签，在标签中定义层合板的铺设面、净边界、扩展边界，在CATIA中选择对应的元素，材料选择DRY-PL-3K，命名为对比试块。

4.2 创建坐标系

铺贴面和铺层边界确定后，接下来要创建坐标系。点击左侧功能树上的坐标系，点击新建按钮，定义参考方向原点、参考方向线、铺设曲面、起始角、方向角以及确定右手铺设方向等元素，并且在CATIA中选择所需要的几何元素。

4.3 铺层设计

在试块的铺层设计的时候，应该是按照被检测件的铺层参数铺设，为了保密性要求，自行设计了一个试块的铺设参数，分别选取了铺层曲面、铺层边界、铺层角度、铺层顺序，铺层层数以及铺层材料。其中设计的铺层层数是16层，每层厚度是0.1905mm。1-8层与9-16层是在中性面对称。第一层的step设置为10，每增加一层step增加10。所以第八层的step为80。

4.4 设计蜂窝夹芯

点击左侧功能树上的夹芯，再点击新建按钮，创建虚拟台阶夹芯，名称为sandwich，在CATIA中选取蜂窝边界和原点，蜂窝厚度为10mm，顶部切削角为30度，材料为honeycomb，铺贴step设置85，使得蜂窝夹芯鋪设在第九层中心位置，使得蜂窝的上下层合板铺层数量一样。

5 铺层的三维显示及注释显示

铺层设计过程中可以显示铺层的三维截面视图，从而验证铺层设计是否正确。首先在CATIA软件中创建一个横截面线，使得横截面线通过蜂窝夹芯、脱粘缺陷、分层缺陷，然后通过FiberSIM软件中的3D文档模块下的3D截面，输出结果如图1所示。如果需要在CATIA软件中生成试块的铺层情况，使用在3D文档模块下的铺层表功能，显示结果如图1所示。

6 结束语

本文以某型飞机的零部件为研究对象，设计其对比试块的理论铺设方案，对复合材料的缺陷设计方法进行了研究，在试块上设计了两种类型的缺陷，精确的设计缺陷的位置、形状和大小，为后面的含有缺陷试块的制造提供了依据，也为后续的测试实验做准备。掌握了这两种缺陷的设计，再进行复合材料夹杂缺陷设计也可以采用类似的方法。

参考文献：

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[2]张玉华，等.FIBERSIM软件在工字梁铺层设计上的应用[J].教练机，2015（02）：57-61.

[3]航空器无损检测综合知识[M].中国民航出版社，2014.

[4]修英姝，崔德刚.复合材料层合板稳定性的铺层优化设计[J].工程力学，2005，22：212-216.