基于MBD复材构件全三维数字化定义

王宏

摘要：随着基于模型的定义（MBD Model Based Definition）技术在航空企业大规模应用，逐步实现了三维数字化、无图纸设计制造。由于复合材料独特的工艺特点决定复材构件数字化定义与金属零件相比具有独特性和复杂性，因此，从企业实际应用出发，总结复材构件数字化定义数据内容组成和数据组织形式，对复材构件内部特性及工程注释信息进行有效组织和描述，进而发挥复材构件全三维数字化集成设计优势。

关键词：MBD； 复材构件；数字化定义

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.28.088

1复材构件全三维數字化定义总体要求

MBD数据集提供了完整的产品信息，集成了以前分散在设计文档和工程图纸中所有设计和制造信息。复材构件需定义金属零件定义中所包含的基准、工程注释、尺寸与公差以及相关工艺、检测信息外，还要包含材料铺放数据，模具表面等复材构件特有的信息。图1为复材构件零件MBD数据集定义基本构成元素。基准数据是复材构件设计建模的依据；工程注释是主要采用结构化文本形式对设计制造过程中的相关标准和要求进行描述；尺寸和公差是采用在三维模型上直接进行标注来表示某个部位工艺要求和结构尺寸。三维主模型主要对复材构件零件外形及其内部材料数据进行定义，也是与金属零件数字化定义的主要区别。

2三维主模型

与金属零件相比，复材构件数字化定义的最大区别，是必须定义材料的内部结构。因此，复材构件三维主模型不仅包含铺层实体数据，还有模具表面和铺层数据，铺层定义数据是三维主模型核心。

2.1模具表面

复材构件工装设计是复材构件最终成型的基础。在复材构件全三维数字化集成设计中，工艺人员进行模具设计是以复材构件MBD数据集中材料铺放表面定义数据为基础，考虑材料固化过程中变形量形成模具表面定义数据。

2.2材料铺放数据定义

复合材料的铺放是将二维的层片按一定的铺设角度和铺放次序逐层铺放在三维模具表面的过程，主要包含以下几个方面。

（1）铺设角度。

复材构件材料铺设角度是铺层纤维相对铺层参考坐标系的角度。在复材构件全三维数字化定义中，根据铺层角度不同定义不同颜色进行区分。

（2）铺放顺序。

铺放顺序是材料片层在复材构件的相对位置，是组织材料铺放定义的一个关键数据。所有铺层都要进行统一命名。

（3）铺层边界。

铺层边界是每一铺层几何边界，是复材构件在铺放表面定义的闭合曲线。铺层边界主要包括设计边界、制造边界和铺层展开边界。设计边界即为为了满足复材构件几何外形最原始边界。制造边界是通过添加材料余量，扩展生成的边界。

（4）芯子。

有些情况下，复材构件中需要包含夹芯或夹层结构来进行增强。如图2对于复材构件芯子对象要需单独建立铺层组，并对铺放顺序、夹芯材料和夹芯几何等属性数据进行定义。

2.3铺层实体

复材构件最终形状是由铺放表面、铺层厚度、芯子等条件决定的，铺层实体是在材料铺放数据定义后，软件根据铺层厚度及铺设层数通过计算生成。

3数字化定义非几何信息

复材构件MBD数据集不仅包含几何信息，还包含大量非几何信息用于研制过程中对产品进行说明。全三维数字化定义中相关的非几何信息必须按照一定的格式编辑，为后续的数字化制造系统实现无需人工干预的有效识别，进而体现全三维数字化定义的优势。

3.1工程注释

工程注释是经过计算机编码并发布一种结构化文本。工程注释主要由标准注释、零件注释、材料描述和标注说明组成。工程注释项主要由“编码”，“标注内容”，“URL”三项构成。其中，“编码”具有唯一性，以便工程注释项被不同的数字化系统识别；“标注内容”则是对工程注释项的简要描述信息；“URL”则链接产品研制过程中相关标准和规范，或者该工程注释项的详细要求信息。

（1）标准注释。

标准注释主要是对复材构件的产品类型、授权、保密要求、生产控制等信息进行说明。

（2）零件注释。

零件注释主要对复材构件工艺计划信息进行定义。零件注释是设计人员给出，给定最终制造要求的信息，零件注释内容包括如方向坐标系、铺设角度公差和零件标记等信息。

（3）材料描述。

复材构件材料相关要求在材料描述中定义，材料描述通常定义复材构件制造过程中所有使用的材料，包括主材料、辅助材料。主材料包含增强材料、基体材料以及夹芯材料。对于辅助材料，主要包括密封剂、吸脂材料等。

（4）标注说明。

标注说明是和旗注标定联合起来对复材构件特殊工艺要求进行说明，旗注标定与几何特征相关联，来说明旗注标定特征特殊的工艺或检验要求。

3.2几何尺寸、公差及铺层标注

除上述工程注释外，复材构件全三维数字化定义还包含尺寸、公差及铺层的标注。几何尺寸、公差及铺层标注定义的基本要求如下：

（1）几何尺寸。

在复材构件MBD数据集中，由于零件三维模型已经完整表示了复材构件几何尺寸信息，因此采用不完全尺寸标注的方法。

（2）公差定义。

公差定义一般分为通用公差和特定几何公差，通用公差应用于所有未注特征上，而特定公差则应用于特定的产品特征上。

（3）铺层标注。

铺层标注采用三维文本标注显示层合板中定义的铺层和夹芯对象数据，包括铺层和夹芯的名称、铺放顺序、铺设角度及材料类型。

（4）三维标注的组织和显示。

复材构件全三维数字化定义中几何尺寸、公差及铺层标注均直接标注在构件三维模型中。采用捕获来对三维标注信息进行多视图显示，以便不同的视图中过滤掉不必要的信息，有利于信息的表达。endprint

4典型构件定义的应用

前面主要对复材构件全三维数字化定义数据内容及其完整构成进行研究，下面结合某复材支架体为实例，对复材构件全三维数字化定义的数据组织进行详细说明。

（1）三维主模型。

三维主模型主要由模具表面、材料铺放数据、铺层实体构成，由于该蜂窝板采用预制层合板剪裁后和蜂窝结构共固化工艺，因此模具表面在该复材构件中不需要定义。蜂窝夹层结构主要由上下4层复合材料铺层、蜂窝夹芯和若干预埋件组成。

（2）数字化定义非几何信息。

复材构件MBD数据集中非几何信息主要包括工程注释和几何尺寸、公差及铺层标注。图3为某支架体蜂窝夹层结构板零件特征树，工程注释等结构化文本信息以参数的形式被分类组织在“标准注释”、“零件注释”、“材料描述”、“标注说明”几何图形集中。三维标注信息位于不同标注平面上，并通过捕获视图来进行分类显示。

5结论

本文结合复材构件数字化集成设计思想，对原来分散在各种设计文档和工程图纸的定义数据进行重新组织，并使用复材构件设计软件将这些信息集成在三维CAD模型文件中，构建复材构件MBD數据集，并以某复材支架体为例进行验证。为复材构件全三维数字化集成设计制造奠定基础。

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