李 晨 陳 程 金沙亮 高麗敏

（1 中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心結(jié)構(gòu)完整性研究部，北京 102211）

（2 中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211）

（3 北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料由于具備高的比模量和比強(qiáng)度、耐腐蝕性能、抗疲勞性能好、設(shè)計(jì)和制造一體化成型等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通運(yùn)輸、能源和建筑等行業(yè)。復(fù)合材料在民機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用比例不斷上升，并已成為衡量民機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)［1］。在復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、損傷容限和運(yùn)行維護(hù)等全生命周期的設(shè)計(jì)和適航審定中，材料許用值和設(shè)計(jì)許用值是設(shè)計(jì)和審定的關(guān)鍵依據(jù)。材料許用值是在大量試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析后確定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值［2］。因此，合理確定材料許用值和設(shè)計(jì)許用值，是確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性的基礎(chǔ)。

不同于金屬材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的獲得，由于復(fù)合材料的非均勻性、各向異性以及材料參數(shù)的變異性，對(duì)復(fù)合材料的驗(yàn)證方法主要通過(guò)積木式試驗(yàn)（Building block approach）或稱(chēng)試驗(yàn)金字塔（Test pyramid）的方法進(jìn)行的，一個(gè)典型的復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)積木式試驗(yàn)各級(jí)試驗(yàn)規(guī)劃如圖1所示［3］。

圖1 典型的積木式試驗(yàn)驗(yàn)證組合Fig.1 A typical combination of building block test

民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用值是飛機(jī)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行復(fù)材材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的重要依托數(shù)據(jù)，也是美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）AC20-107B咨詢(xún)通報(bào)建議的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)積木式試驗(yàn)驗(yàn)證的重要組成部分，往往需要上千件的試樣件級(jí)試驗(yàn)用于確定復(fù)合材料的設(shè)計(jì)許用值，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)符合CCAR-25-R4 25.613 條款的試驗(yàn)依據(jù)［3］。如圖2所示為一個(gè)典型的復(fù)合材料積木式試驗(yàn)各級(jí)試驗(yàn)件數(shù)量規(guī)劃，不同級(jí)別的試驗(yàn)件數(shù)量存在著量級(jí)間的差異。

圖2 積木式試驗(yàn)各級(jí)試驗(yàn)件數(shù)量規(guī)劃Fig.2 Quantity planning of building block test specimens at all levels

ASTM 標(biāo)準(zhǔn)一般常被用作試驗(yàn)件級(jí)試驗(yàn)的通用標(biāo)準(zhǔn)，而在這些試樣件級(jí)試驗(yàn)中，包含大量旁路擠壓壓縮試驗(yàn)，需要使用壓縮防失穩(wěn)夾具，以對(duì)試驗(yàn)件面外變形進(jìn)行限制，來(lái)獲得材料壓縮性能。對(duì)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。ASTM D7248 D7248M-12（R 2017）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了聚合物基復(fù)合材料旁路擠壓試驗(yàn)方法。許用值試驗(yàn)中的壓縮試驗(yàn)，必須使用壓縮防失穩(wěn)夾具，以對(duì)試驗(yàn)件面外變形進(jìn)行限制。而許多試驗(yàn)件的整體外形相似，只存在尺寸上的差異。目前，常用的夾具設(shè)計(jì)方法是在CATIA等建模軟件環(huán)境中對(duì)夾具的各個(gè)構(gòu)件分別進(jìn)行建模，最后將各夾具構(gòu)件以裝配體形式呈現(xiàn)形成完整的試驗(yàn)夾具。其中，裝配體中各夾具構(gòu)件和試驗(yàn)件的裝配關(guān)系靠手動(dòng)約束完成，尺寸、公差配合等信息則需要由三維模型轉(zhuǎn)換到二維圖紙后進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)而交付制造。在試驗(yàn)件夾具的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中即使針對(duì)相似夾具結(jié)構(gòu)也需要試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員手工重復(fù)對(duì)夾具進(jìn)行建模畫(huà)圖和制造，耗費(fèi)大量精力，也容易造成細(xì)節(jié)上如公差或尺寸配合上的錯(cuò)誤。

目前國(guó)外對(duì)于將CATIA 二次開(kāi)發(fā)手段應(yīng)用于工程實(shí)踐中的報(bào)道較少，國(guó)內(nèi)在航空航天、汽車(chē)、水利等領(lǐng)域有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用研究，張信淋等［4］以飛機(jī)典型零件為建模對(duì)象，研究了借助CATIA 二次開(kāi)發(fā)的快速建模技術(shù)，樓濤等［5］基于CATIA 3DEXPERIENCE 平臺(tái)構(gòu)建了水利拱壩結(jié)構(gòu)的快速建模方法。張溥海［6］采用CAA 進(jìn)行CATIA 二次開(kāi)發(fā)研究了組合夾具的設(shè)計(jì)方法。但針對(duì)復(fù)合材料試件級(jí)試驗(yàn)進(jìn)行CATIA二次開(kāi)發(fā)等研究工作還較為罕見(jiàn)。

本文針對(duì)復(fù)合材料許用值旁路擠壓試驗(yàn)夾具在設(shè)計(jì)建模過(guò)程中存在的典型結(jié)構(gòu)重復(fù)性問(wèn)題，基于CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)展MBD信息三維標(biāo)注參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，提出并建立一種復(fù)合材料許用值旁路擠壓試驗(yàn)的夾具參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，以減少設(shè)計(jì)人員進(jìn)行重復(fù)繁雜的建模工作，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和制造效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度。

1 復(fù)合材料旁路擠壓試驗(yàn)流程及夾具設(shè)計(jì)信息

1.1 復(fù)合材料旁路擠壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)典型流程

一個(gè)有代表性的復(fù)合材料旁路擠壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。由試驗(yàn)任務(wù)書(shū)依次分解不同試驗(yàn)的構(gòu)型，根據(jù)不同試驗(yàn)科目如果需要壓縮防失穩(wěn)夾具則需要對(duì)試驗(yàn)構(gòu)型參數(shù)如：幾何尺寸、連接構(gòu)型、壓縮量要求等進(jìn)行確定，進(jìn)而進(jìn)行壓縮夾具的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收。

圖3 復(fù)合材料旁路擠壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程Fig.3 Design process of composite materials bypass interaction test

1.2 旁路擠壓試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)信息

ASTM D7248標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了復(fù)合材料50%旁路擠壓耦合方法B（試驗(yàn)項(xiàng)目代碼BP50，如圖4所示）和75%旁路擠壓耦合方法C（試驗(yàn)項(xiàng)目代碼BP50，如圖5所示）。試驗(yàn)夾具主要包括支持板、墊塊、短夾板、長(zhǎng)夾板等。同時(shí)，由于試驗(yàn)夾具起到將試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的機(jī)械激勵(lì)如實(shí)的傳遞到試驗(yàn)件的作用，標(biāo)準(zhǔn)明確指出了加工的工藝精度等將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響，因此規(guī)定了在對(duì)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)時(shí)，夾具螺栓孔的形位公差及夾具板面的粗糙度等重要的加工信息。

圖4 支持夾具組合件（BP50）Fig.4 Supporting fixture assembly（BP50）

圖5 支持夾具組合件（BP75）Fig.5 Supporting fixture assembly（BP75）

表1中總結(jié)了BP50 試驗(yàn)夾具的配置參數(shù)，端距比、寬度直徑比、直徑厚度比、緊固件擰緊力矩、緊固件或銷(xiāo)釘材料、緊固件或銷(xiāo)釘間隙、沉頭角度和沉頭深度、墊圈類(lèi)型（若使用）、匹配材料類(lèi)型和支持夾具類(lèi)型等都將直接影復(fù)合材料層壓板擠壓/旁路干涉響應(yīng)效果。對(duì)于此類(lèi)數(shù)量極大的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，一個(gè)參數(shù)的改變不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)夾具構(gòu)型的重大變化，但卻需要對(duì)夾具設(shè)計(jì)和裝配體進(jìn)行大量的修改工作。

表1 BP50試驗(yàn)夾具配置參數(shù)Tab.1 Parameters setup for the fixture of BP50 test

2 基于模型定義數(shù)據(jù)集的CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)

基于模型定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)，是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)的數(shù)字化定義方 法［7］，也 是 實(shí) 現(xiàn)MBSE（Model Based Systems Engineering）的重要技術(shù)路徑［8］。CATIA是航空工業(yè)最常用的制圖和建模軟件，對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)可以減少工作中重復(fù)的勞動(dòng)，集成專(zhuān)業(yè)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，適用于對(duì)典型結(jié)構(gòu)或裝配體的快速建模［6］。

2.1 MBD的試驗(yàn)夾具數(shù)據(jù)集

MBD技術(shù)是在三維數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)集成的三維實(shí)體模型來(lái)表達(dá)產(chǎn)品的完整定義信息，從而消除或者減少二維圖紙的使用，將原來(lái)定義在二維圖紙上的幾何形狀信息、尺寸與公差以及工藝信息等產(chǎn)品信息共同定義到產(chǎn)品模型中，并詳細(xì)規(guī)定了三維數(shù)模中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法［9］，如圖6所示。對(duì)于旁路擠壓試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)的MBD數(shù)據(jù)集主要包括表1中所列出的信息涵蓋幾何信息：各個(gè)夾具零件的基本幾何尺寸信息；三維標(biāo)注信息：公差和配合關(guān)系，以及材料和制造工藝如粗糙度、垂直度和平面度要求等屬性信息。

圖6 MBD數(shù)據(jù)集所包含內(nèi)容Fig.6 Information involved in MBD dataset

2.2 CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)

CATIA 的二次開(kāi)發(fā)可以使建模軟件的功能更符合設(shè)計(jì)人員使用的便捷性、高效率，同時(shí)便于標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)展。CATIA軟件接口允許支持COM 組件或程序進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)操作，并通過(guò)進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序（In-process Application）方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序（Out-Process Application）兩種方式與外部程序通信。CATIA 提供了自動(dòng)化應(yīng)用接口（Automation API）支持采用VBScript腳本對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并允許開(kāi)發(fā)者應(yīng)用Visual Basic 設(shè)計(jì)直觀(guān)的用戶(hù)界面。CATIA 通過(guò)輸入的參數(shù)驅(qū)動(dòng)代碼運(yùn)行并進(jìn)行建模。一個(gè)基于Visual Basic 語(yǔ)言的完整的CATIA 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)流程如圖7所示。

圖7 基于VB的CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)流程Fig.7 VB based CATIA secondary development

在CATIA 運(yùn)行環(huán)境下可以采用宏（Macro）錄制的方式生成VBScript 腳本，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)相關(guān)幾何參數(shù)的修改，可以生成相應(yīng)的程序代碼。但運(yùn)行宏時(shí)，CATIA 就處于禁用狀態(tài)，因此不能通過(guò)宏調(diào)用存儲(chǔ)的變量值，導(dǎo)致這種方式具有局限性，但卻為定制開(kāi)發(fā)小型化的程序提供了便利。本文對(duì)試驗(yàn)夾具每個(gè)零件進(jìn)行CATIA 二次開(kāi)發(fā)參數(shù)化建模，最后將生成的各個(gè)零件模型組裝成裝配體。裝配約束主要通過(guò)CATIA 中CreateReference 函數(shù)建立參考基準(zhǔn)，繼而采用AddBiEltCst（創(chuàng)建兩個(gè)元素間約束）和AddTriEltCst（創(chuàng)建三個(gè)元素間約束）等函數(shù)進(jìn)行裝配約束。

2.3 CATIA三維標(biāo)注二次開(kāi)發(fā)的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)CATIA 軟件功能標(biāo)注對(duì)象（Functional Annotations Objects）模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)夾具M(jìn)BD信息的三維標(biāo)注。CATIA 功能標(biāo)注對(duì)象的構(gòu)成如圖8所示。

圖8 CATIA功能標(biāo)注對(duì)象Fig.8 Functional annotation objects of CATIA

采用條件語(yǔ)句和循環(huán)語(yǔ)句選擇需要進(jìn)行三維標(biāo)注的邊線(xiàn)或特征，實(shí)現(xiàn)不同的三維標(biāo)注功能的語(yǔ)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

長(zhǎng)夾具的三維標(biāo)注的效果如圖9所示。

圖9 長(zhǎng)夾具三維標(biāo)注效果Fig.9 3D annotation effect of long fixture

3 復(fù)合材料旁路擠壓試驗(yàn)夾具參數(shù)化設(shè)計(jì)

主要針對(duì)50%和75%旁路擠壓試驗(yàn)夾具進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，整個(gè)程序的架構(gòu)如圖10所示，包含夾具設(shè)計(jì)主模塊和BP50、BP75 試驗(yàn)夾具參數(shù)定義模塊，每種試驗(yàn)夾具界面下又分為試驗(yàn)構(gòu)型整體設(shè)計(jì)，試驗(yàn)件設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)3個(gè)子模塊。

圖10 旁路擠壓試驗(yàn)夾具參數(shù)化設(shè)計(jì)程序架構(gòu)Fig.10 Parametric design program framework of bypass interaction test fixture

主設(shè)計(jì)模塊下包含BP75 和BP50 試驗(yàn)夾具主要參數(shù)定義模塊，主要參數(shù)包括試驗(yàn)件的圓孔直徑（D），試驗(yàn)件的寬（W）與直徑（D）的比值a，復(fù)合材料的長(zhǎng)度（L），長(zhǎng)夾具和短夾具的側(cè)方長(zhǎng)度（n）。其中，試驗(yàn)件孔徑D和試驗(yàn)件寬度W為關(guān)鍵尺寸基準(zhǔn)，定義各零部件的尺寸和各零部件間的位置關(guān)系。

圖11 程序各個(gè)模塊Fig.11 All modules of the program

整個(gè)夾具設(shè)計(jì)程序通過(guò)參數(shù)輸入，由試驗(yàn)件設(shè)計(jì)開(kāi)始，進(jìn)而對(duì)整套夾具的各個(gè)組成零件展開(kāi)設(shè)計(jì)，自動(dòng)在CATIA 中進(jìn)行建模，最后形成裝配體模型并以二維圖紙格式和三維模型中性數(shù)據(jù)STEP 格式進(jìn)行輸出。

4 應(yīng)用實(shí)例和改進(jìn)效果

采用本文方法和開(kāi)發(fā)的程序?qū)P50 試驗(yàn)中某種試驗(yàn)件夾具進(jìn)行建模。緊固件直徑D設(shè)為6.35 mm，W/D設(shè)為6，L=50 mm，c=4 mm，r=2 mm，m=15 mm，得到如圖12所示的輸出各個(gè)夾具零件的MBD模型、含標(biāo)注信息的二維圖紙和夾具裝配體模型STEP文件。

圖12 試驗(yàn)夾具裝配設(shè)計(jì)和程序輸出物Fig.12 Test fixture assembly design and output of the program

表2對(duì)比了現(xiàn)有方法和本文方法進(jìn)行相同試驗(yàn)夾具構(gòu)型設(shè)計(jì)的各因素的結(jié)果。傳統(tǒng)方法需要對(duì)夾具各組成零件逐一建模再進(jìn)行裝配，而本文方法只需進(jìn)行基本參數(shù)的輸入，極大的提高了設(shè)計(jì)效率。由于本文程序的開(kāi)發(fā)基于ASTM 等相關(guān)試驗(yàn)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，避免了建模中制圖的錯(cuò)誤和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的忽視，程序相關(guān)錯(cuò)誤在持續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)中也將逐漸減少，使得設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率和標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)率也得到了顯著的提升。

表2 現(xiàn)有試驗(yàn)夾具建模方法與本文方法對(duì)比Tab.2 Comparison of test fixture setup approach between traditional method and this paper

5 結(jié)論

針對(duì)復(fù)合材料旁路擠壓試驗(yàn)壓縮夾具設(shè)計(jì)，研究并提出了一種基于CATIA 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)包涵MBD數(shù)據(jù)集的試驗(yàn)夾具信息表達(dá)方法，開(kāi)發(fā)了含三維標(biāo)注的試驗(yàn)夾具快速參數(shù)化建模程序，通過(guò)對(duì)比分析和討論得出以下結(jié)論：

（1）確定試驗(yàn)夾具的關(guān)鍵尺寸參數(shù)為試驗(yàn)件孔徑D和試驗(yàn)件寬度W，試驗(yàn)夾具基本構(gòu)型和MBD 數(shù)據(jù)集信息全部尺寸鏈信息均基于此，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)夾具信息鏈的完整閉環(huán)；

（2）采用本文提出的方法設(shè)計(jì)效率大幅提升的同時(shí)，符合ASTM D7248 D7248M—12 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率和夾具標(biāo)準(zhǔn)化合規(guī)率均較現(xiàn)有方法提高5%～10%。