基于模型定义的复合材料旁路挤压试验压缩夹具参数化设计

李 晨 陈 程 金沙亮 高丽敏

（1 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心结构完整性研究部，北京 102211）

（2 中国商飞北京民用飞机技术研究中心民用飞机结构与复合材料北京市重点实验室，北京 102211）

（3 北京航空航天大学，北京 100191）

0 引言

先进复合材料由于具备高的比模量和比强度、耐腐蚀性能、抗疲劳性能好、设计和制造一体化成型等诸多优点，而被广泛应用于航空、航天、交通运输、能源和建筑等行业。复合材料在民机结构件上的应用比例不断上升，并已成为衡量民机先进性的重要指标［1］。在复合材料飞机结构静强度、疲劳强度、损伤容限和运行维护等全生命周期的设计和适航审定中，材料许用值和设计许用值是设计和审定的关键依据。材料许用值是在大量试样试验数据基础上，统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值［2］。因此，合理确定材料许用值和设计许用值，是确保复合材料结构的可靠性与安全性的基础。

不同于金属材料力学性能数据的获得，由于复合材料的非均匀性、各向异性以及材料参数的变异性，对复合材料的验证方法主要通过积木式试验（Building block approach）或称试验金字塔（Test pyramid）的方法进行的，一个典型的复合材料飞机结构积木式试验各级试验规划如图1所示［3］。

图1 典型的积木式试验验证组合Fig.1 A typical combination of building block test

民用飞机复合材料结构的设计许用值是飞机设计人员进行复材材料结构设计需要考虑的重要依托数据，也是美国联邦航空管理局（FAA）AC20-107B咨询通报建议的复合材料结构积木式试验验证的重要组成部分，往往需要上千件的试样件级试验用于确定复合材料的设计许用值，是复合材料结构设计的基础，也是复合材料结构符合CCAR-25-R4 25.613 条款的试验依据［3］。如图2所示为一个典型的复合材料积木式试验各级试验件数量规划，不同级别的试验件数量存在着量级间的差异。

图2 积木式试验各级试验件数量规划Fig.2 Quantity planning of building block test specimens at all levels

ASTM 标准一般常被用作试验件级试验的通用标准，而在这些试样件级试验中，包含大量旁路挤压压缩试验，需要使用压缩防失稳夹具，以对试验件面外变形进行限制，来获得材料压缩性能。对试验夹具的设计和制造提出了更高的要求。ASTM D7248 D7248M-12（R 2017）标准规定了聚合物基复合材料旁路挤压试验方法。许用值试验中的压缩试验，必须使用压缩防失稳夹具，以对试验件面外变形进行限制。而许多试验件的整体外形相似，只存在尺寸上的差异。目前，常用的夹具设计方法是在CATIA等建模软件环境中对夹具的各个构件分别进行建模，最后将各夹具构件以装配体形式呈现形成完整的试验夹具。其中，装配体中各夹具构件和试验件的装配关系靠手动约束完成，尺寸、公差配合等信息则需要由三维模型转换到二维图纸后进行标记，进而交付制造。在试验件夹具的设计和制造过程中即使针对相似夹具结构也需要试验设计人员手工重复对夹具进行建模画图和制造，耗费大量精力，也容易造成细节上如公差或尺寸配合上的错误。

目前国外对于将CATIA 二次开发手段应用于工程实践中的报道较少，国内在航空航天、汽车、水利等领域有学者进行了相关应用研究，张信淋等［4］以飞机典型零件为建模对象，研究了借助CATIA 二次开发的快速建模技术，楼涛等［5］基于CATIA 3DEXPERIENCE 平台构建了水利拱坝结构的快速建模方法。张溥海［6］采用CAA 进行CATIA 二次开发研究了组合夹具的设计方法。但针对复合材料试件级试验进行CATIA二次开发等研究工作还较为罕见。

本文针对复合材料许用值旁路挤压试验夹具在设计建模过程中存在的典型结构重复性问题，基于CATIA二次开发技术开展MBD信息三维标注参数化设计研究，提出并建立一种复合材料许用值旁路挤压试验的夹具参数化设计程序，以减少设计人员进行重复繁杂的建模工作，提高设计准确性和制造效率和标准化程度。

1 复合材料旁路挤压试验流程及夹具设计信息

1.1 复合材料旁路挤压试验设计典型流程

一个有代表性的复合材料旁路挤压试验设计流程如图3所示。由试验任务书依次分解不同试验的构型，根据不同试验科目如果需要压缩防失稳夹具则需要对试验构型参数如：几何尺寸、连接构型、压缩量要求等进行确定，进而进行压缩夹具的设计、制造和验收。

图3 复合材料旁路挤压试验设计流程Fig.3 Design process of composite materials bypass interaction test

1.2 旁路挤压试验夹具设计信息

ASTM D7248标准中规定了复合材料50%旁路挤压耦合方法B（试验项目代码BP50，如图4所示）和75%旁路挤压耦合方法C（试验项目代码BP50，如图5所示）。试验夹具主要包括支持板、垫块、短夹板、长夹板等。同时，由于试验夹具起到将试验台产生的机械激励如实的传递到试验件的作用，标准明确指出了加工的工艺精度等将对试验结果产生重要影响，因此规定了在对试验夹具的设计时，夹具螺栓孔的形位公差及夹具板面的粗糙度等重要的加工信息。

图4 支持夹具组合件（BP50）Fig.4 Supporting fixture assembly（BP50）

图5 支持夹具组合件（BP75）Fig.5 Supporting fixture assembly（BP75）

表1中总结了BP50 试验夹具的配置参数，端距比、宽度直径比、直径厚度比、紧固件拧紧力矩、紧固件或销钉材料、紧固件或销钉间隙、沉头角度和沉头深度、垫圈类型（若使用）、匹配材料类型和支持夹具类型等都将直接影复合材料层压板挤压/旁路干涉响应效果。对于此类数量极大的标准试验，一个参数的改变不会导致整个试验夹具构型的重大变化，但却需要对夹具设计和装配体进行大量的修改工作。

表1 BP50试验夹具配置参数Tab.1 Parameters setup for the fixture of BP50 test

2 基于模型定义数据集的CATIA二次开发技术

基于模型定义（Model Based Definition，MBD）技术，是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进的数字化定义方 法［7］，也 是 实 现MBSE（Model Based Systems Engineering）的重要技术路径［8］。CATIA是航空工业最常用的制图和建模软件，对CATIA进行二次开发可以减少工作中重复的劳动，集成专业人员的设计经验，适用于对典型结构或装配体的快速建模［6］。

2.1 MBD的试验夹具数据集

MBD技术是在三维数字化模型的基础上，通过集成的三维实体模型来表达产品的完整定义信息，从而消除或者减少二维图纸的使用，将原来定义在二维图纸上的几何形状信息、尺寸与公差以及工艺信息等产品信息共同定义到产品模型中，并详细规定了三维数模中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法［9］，如图6所示。对于旁路挤压试验夹具设计的MBD数据集主要包括表1中所列出的信息涵盖几何信息：各个夹具零件的基本几何尺寸信息；三维标注信息：公差和配合关系，以及材料和制造工艺如粗糙度、垂直度和平面度要求等属性信息。

图6 MBD数据集所包含内容Fig.6 Information involved in MBD dataset

2.2 CATIA二次开发技术

CATIA 的二次开发可以使建模软件的功能更符合设计人员使用的便捷性、高效率，同时便于标准化的开展。CATIA软件接口允许支持COM 组件或程序进行访问操作，并通过进程内应用程序（In-process Application）方式和进程外应用程序（Out-Process Application）两种方式与外部程序通信。CATIA 提供了自动化应用接口（Automation API）支持采用VBScript脚本对CATIA进行二次开发，并允许开发者应用Visual Basic 设计直观的用户界面。CATIA 通过输入的参数驱动代码运行并进行建模。一个基于Visual Basic 语言的完整的CATIA 二次开发技术流程如图7所示。

图7 基于VB的CATIA二次开发技术流程Fig.7 VB based CATIA secondary development

在CATIA 运行环境下可以采用宏（Macro）录制的方式生成VBScript 脚本，通过对结构相关几何参数的修改，可以生成相应的程序代码。但运行宏时，CATIA 就处于禁用状态，因此不能通过宏调用存储的变量值，导致这种方式具有局限性，但却为定制开发小型化的程序提供了便利。本文对试验夹具每个零件进行CATIA 二次开发参数化建模，最后将生成的各个零件模型组装成装配体。装配约束主要通过CATIA 中CreateReference 函数建立参考基准，继而采用AddBiEltCst（创建两个元素间约束）和AddTriEltCst（创建三个元素间约束）等函数进行装配约束。

2.3 CATIA三维标注二次开发的实现

通过对CATIA 软件功能标注对象（Functional Annotations Objects）模块进行二次开发可以实现试验夹具MBD信息的三维标注。CATIA 功能标注对象的构成如图8所示。

图8 CATIA功能标注对象Fig.8 Functional annotation objects of CATIA

采用条件语句和循环语句选择需要进行三维标注的边线或特征，实现不同的三维标注功能的语句如下：

For i=1 To oSel.Count

Set oEdge1=oSel.Item（i）.Value

If i=3 Then

Set annotationSets1=part1.AnnotationSets

Set annotationSet1=annotationSets1.Add（"ISO_3D"）

Set userSurfaces1=part1.UserSurfaces

Set userSurface1=userSurfaces1.Generate（oEdge1）

Dim bSTR1

bSTR1=part1.Name

Set annotationFactory1=annotationSet1.AnnotationFactory

Set annotation1=annotationFactory1.CreateSemanticDimension（userSurface1，1，0）

End If

长夹具的三维标注的效果如图9所示。

图9 长夹具三维标注效果Fig.9 3D annotation effect of long fixture

3 复合材料旁路挤压试验夹具参数化设计

主要针对50%和75%旁路挤压试验夹具进行程序开发设计，整个程序的架构如图10所示，包含夹具设计主模块和BP50、BP75 试验夹具参数定义模块，每种试验夹具界面下又分为试验构型整体设计，试验件设计和夹具设计3个子模块。

图10 旁路挤压试验夹具参数化设计程序架构Fig.10 Parametric design program framework of bypass interaction test fixture

主设计模块下包含BP75 和BP50 试验夹具主要参数定义模块，主要参数包括试验件的圆孔直径（D），试验件的宽（W）与直径（D）的比值a，复合材料的长度（L），长夹具和短夹具的侧方长度（n）。其中，试验件孔径D和试验件宽度W为关键尺寸基准，定义各零部件的尺寸和各零部件间的位置关系。

图11 程序各个模块Fig.11 All modules of the program

整个夹具设计程序通过参数输入，由试验件设计开始，进而对整套夹具的各个组成零件展开设计，自动在CATIA 中进行建模，最后形成装配体模型并以二维图纸格式和三维模型中性数据STEP 格式进行输出。

4 应用实例和改进效果

采用本文方法和开发的程序对BP50 试验中某种试验件夹具进行建模。紧固件直径D设为6.35 mm，W/D设为6，L=50 mm，c=4 mm，r=2 mm，m=15 mm，得到如图12所示的输出各个夹具零件的MBD模型、含标注信息的二维图纸和夹具装配体模型STEP文件。

图12 试验夹具装配设计和程序输出物Fig.12 Test fixture assembly design and output of the program

表2对比了现有方法和本文方法进行相同试验夹具构型设计的各因素的结果。传统方法需要对夹具各组成零件逐一建模再进行装配，而本文方法只需进行基本参数的输入，极大的提高了设计效率。由于本文程序的开发基于ASTM 等相关试验规定和标准开展，避免了建模中制图的错误和对标准规范的忽视，程序相关错误在持续的优化改进中也将逐渐减少，使得设计的准确率和标准合规率也得到了显著的提升。

表2 现有试验夹具建模方法与本文方法对比Tab.2 Comparison of test fixture setup approach between traditional method and this paper

5 结论

针对复合材料旁路挤压试验压缩夹具设计，研究并提出了一种基于CATIA 二次开发技术包涵MBD数据集的试验夹具信息表达方法，开发了含三维标注的试验夹具快速参数化建模程序，通过对比分析和讨论得出以下结论：

（1）确定试验夹具的关键尺寸参数为试验件孔径D和试验件宽度W，试验夹具基本构型和MBD 数据集信息全部尺寸链信息均基于此，可实现整个夹具信息链的完整闭环；

（2）采用本文提出的方法设计效率大幅提升的同时，符合ASTM D7248 D7248M—12 标准的规定，设计准确率和夹具标准化合规率均较现有方法提高5%～10%。