核心提示：在空客潔凈天空 2 研發項目中，通過一項研究，對新型單通道（類似空客 A320） 機身的設計和制造了熱塑機身試驗件（直徑 4 米、長

在空客“潔凈天空 2” 研發項目中，通過一項研究，對新型單通道（類似空客 A320） 機身的設計和制造了熱塑機身試驗件（直徑 4 米、長度 8 米）。該試驗件的主要目標是實現高產量， 每月至少制造 60 架飛機的速率， 并減少結構重量和經常性成本。設想的試驗件應驗證機身結構、系統、貨物和設備的高潛力多功能組合。新技術為下一代單通道機身和客艙，采用先進材料和創新設計、制造提供依據。

機身試驗件的 CAD 模型 (2019.11.21)

熱塑復材機身試驗件的關鍵創新之一是預裝機身的模塊化組裝子組件。在設計和制造此類集成多學科機身分總成方面邁出一步，包括結構、系統、客艙和貨艙的組件需要材料和制造方法。熱塑性復合材料及其高度自動化纖維鋪放技術和先進的連接方法，提供了生產所需的靈活性和效率，以便生產更多的預裝配子組件，以實現未來的模塊化組裝過程的制造供應鏈。為單通道下一代機身提供兩位數的燃油消耗減少， 需要將客艙、貨艙和物理系統元素集成在一起的結構概念。未來全裝備單通道飛機機身的總體目標是：

實現每月至少 60 架次的高速生產（HRP-High RateProduction）

將機身總重量減少 10%

將經常性成本降低 20%

為此，將開發、制造和交付全尺寸機身部分試驗件。試驗件下半部分為 180° 全尺寸多功能集成熱塑性機身外殼， 包括客艙和貨艙地板結構以及相關的主要內部和系統元件。先進的設計原則，創新的系統架構、先進的材料和工藝，為下一代產品提供高潛力的解決方案。實現多功能結構的這些先進設計原則之一是， 虛擬過程技術的

使用。在過去五年中，虛擬過程模擬（也稱為制造模擬，虛擬制造）使用物理行為已受到越來越多的關注。虛擬過程模擬的好處是為了在實際制造之前了解工藝參數的行為和影響，通過緩解措施降低風險。因此，制造技術、 測試和小型試驗件可以借助強大的仿真工具。

從 CAD 模型到有限元分析結果的工作流程

研究了用于全尺寸單通道機身蒙皮部件的制造方法，以支持虛擬處理模擬，見上圖。由于考慮了大型多功能系統的復雜性

結構、 批生產和試驗件制造的風險以及詳細程度。這對于高水平的制造精度是必需的，詳細的 3D 建模和分析對于制造過程的預測。

本文中給出的結果將包括以下建模步驟：從 CAD（復合材料建模器）到自動纖維鋪放制造模擬（顯式）和薄皮部分和表面的動態處理懸垂過程（隱式和顯式模擬）。

復合材料建模器

復合材料蒙皮由 CAD文件（Catia）中定義的許多層和鋪層組成。正確轉移將幾何數據和復合材料數據輸入有限元軟件可能非常具有挑戰性。此外，詳細的從 CAD 中定義的曲面機身蒙皮到制造所需的平面蒙皮模型的轉換模擬帶來了額外的挑戰。因此，層的纖維方向和層的法線方向層壓板需要考慮。要執行此轉換，將使用具有上述測繪精度高。Abaqus/CAE 復合材料建模器擴展了鋪層建模 Abaqus 提供纖維模擬功能。

纖維鋪放模擬

使用纖維鋪放設備進行復合材料 AFP-Automated Fibre Placement鋪放。為了深入了解該生產過程的行為和動態，使用動態在纖維放置上執行顯式操作。該方法允許使用 DOE-design of experiment 評估設計空間，例如：利用復合材料的材料損傷參數研究粘性對模具、彎曲和切割的影響以有效的方式使用纖維/絲束。虛擬纖維放置頭可同時放置 8 根復合纖維束。與大多數 AFP 模擬相比，這包括物理效應。這種類型的模擬對于纖維放置非常有用具有復雜的幾何結構或纖維轉向，可能有褶皺。這方面的定性比較技術已經實施，但到目前為止還沒有完全驗證。

用于制造皮膚的纖維鋪設技術

操縱模擬和懸垂模擬

機身蒙皮的制造過程包括將多個子層壓板搬運和覆蓋到固結模具中。為了深入了解這些相當大和薄的對柔性蒙皮子層結構進行了動力顯式仿真。這種模擬擴展了經驗從艙門周圍小尺寸面板的實際測試到全尺寸蒙皮。蒙皮是用吸盤抓起的然后小心地放入彎曲的模具中。

將纖維放置到模具后的蒙皮示意圖，包括從平面到曲面的形狀過渡，以及右邊是一個真空提升裝置的圖像

用建模的方法可以改變層壓板厚度、吸盤數量及其在蒙皮上的分布。這些模擬的主要目的是詳細分析這些大而薄的層壓板在轉移過程中的行為，避免在運輸到模具的過程中損壞蒙皮。還有可以研究較厚的艙門周邊的層壓板。這些要求是在最大吸盤負載為預成型層壓板彎曲產生的 200 N 和層間剪切應力（ILSSinterlaminar shear stress）為 6 MPa。操縱和懸垂模擬尚未得到驗證。對吸盤負載等輸入進行了測試。

復合材料建模器

復合材料建模器用于創建蒙皮有限元模型。在試驗件建模文件中， 蒙皮設計包含 120 多個詳細的鋪層定義。這些定義在中是有效的蒙皮的不同區域，以創建平衡和設計的蒙皮。手動執行此操作將非常重要因此使用了復合材料建模器。這將使用 CAD Catia 文件和Abaqus 有限元網格作為將層壓板映射到網格的輸入。進行了兩種設

計，一種是包含 50000 個元素的粗略設計，另一種是包含500.000 個元件（S4R-Shell element Abaqus）。對于第二種設計，網格的結構也更為結構化，以便能夠正確繪制坡道區域使用平均尺寸為 10mm 的元素。

復合材料建模器繪制的蒙皮

成功地將層壓板從 CAD 繪制出有限元模型。總體由于有大量的層定義和截面，計算性能被證明是具有挑戰性的。這個繪制有限元蒙

皮模型的結果用于描述的操縱和懸垂模擬。

纖維鋪放模擬

為了了解該過程，使用 Abaqus Explicit，即所謂的虛擬 FPM（-Fibre Placement Manufacturing） 。這包括以下部件，如下圖所示：金屬模具（淺黃色）、纖維鋪放頭和牽引導管（藍色）、單個牽引（共 8 根）、切割刀、滾筒（藍色）。模具、切割刀和纖維鋪放頭為剛性部件。碳纖維增強塑料絲束具有彈性和損傷模型，并與模具發生內聚作用（粘結）。輥子也有彈性橡膠性能。

纖維鋪設模擬（虛擬 FPM）

模擬結果，其中使用中間切割鋪放了兩層。這個仿真結果在定性方面是令人滿意的，與纖維鋪放有良好的對應關系在現實中使用視覺比較的行為。計算時間為 2 小時， 8 個 CPU-CentralProcessing Unit 計算工作量很大。它對過程的靈敏度和速度提供了有價值的見解。該方法將用于蒙皮具有挑戰性的領域。此時，使用此方法模擬整個蒙皮部分是不可行的由于計算的限制。進一步的工作還包括熱模擬和激光的結合加熱后進行冷卻變形模擬，并使用實際測量值進行驗證。

操縱模擬和懸垂模擬

試驗件機身下蒙皮的預計制造工藝包括將若干纖維放置在子層壓板上，搬運并覆蓋到固結模具中，見下圖。幾種模型使用不同的吸盤支架創建。最薄的-因此也是最靈活的-蒙皮子層壓板是被選為分析的最壞情況， 它由 6 層組成。

使用吸盤的蒙皮傳輸模型和結果。左側為藍色，平坦的蒙皮和彎曲模具。在右側，使用吸盤和鏈條朝著模具拾取扁平蒙皮

動態操縱和懸垂有限元模擬可以很好地了解柔性支架的性能熱塑性蒙皮。支撐吸盤太少會產生相當大的彎曲和層間剪切應力，吸盤負載高，可能損壞未固結的熱塑性塑性蒙皮。真空吸盤裝置3 x 10 的結果令人滿意，吸盤的正常和剪切載荷在 200 N 的安全極限范圍內加載。此外，彎曲受到限制，顯示出 1– 2.4 MPa 的低 ILSS（-interlaminar shear stress） 值。選擇此選項是為了制造和運輸。

結論：

詳細的 3D建模和分析對于降低制造過程的風險預測是必要的。介紹的熱塑性蒙皮零件制造的建模步驟是從 CAD 轉換而來的層壓板（復合材料建模器）、纖維鋪放制造模擬（顯式）和薄纖維的動態處理蒙皮截面和覆蓋過程（隱式和顯式模擬）。仿真結果提供了有價值的見解。此模擬用于改進機身結構的制造，并第一個時間獲得正確的零件。