航天复合材料数字化集成技术的研究与应用

航天复合材料数字化集成技术的研究与应用

摘要：当前小型化、轻质化、高可靠性的新形势对航天复合材料的性能提出了

更高的要求和挑战。为了进一步提升航天复合材料的性能，数字化集成技术在其

中的应用已刻不容缓。本文在分析传统复合材料结构设计所存在问题的基础上，

提出了复合材料的一体化研制模式，并详细说明一体化研制模式的主要内容，为

实现航天复合材料结构的高效高质奠定基础。

关键词：航天，复合材料，结构，数字化，一体化

0 引言

经对航天产品发展趋势的研究可知，未来航天产品将朝着轻质化、小型化、

高可靠性的方向发展。鉴于如上发展趋势，对于航天产品相关的复合材料的性能

和质量也提出了的新的要求和挑战，即对复合材料研制中的技术和工艺有了更高

的要求[1]。此外，在当前计算机技术与信息技术高度发达新形势下，将数字化设

计技术与集成产品开发模式应用于复合材料的设计和研发中。其中，上述技术应

用相对成功的公司主要有波音公司和空客集团等。这些成功的案例说明，复合材

料的数字化集成技术对提升复合材料的性能，实现复合材料的数字化生产线的建

设具有重要意义。因此，在我国航天航天复合材料的研发和生产中，也应积极将

数字化集成技术应用于其中，为提升我国航天产品的质量和可靠性奠定基础。

1 传统复合材料产品结构设计研究

我国传统复合材料产品结构设计的人员分配如下：设计人员主要完成产品的

接口和尺寸设计；工艺人员主要完成产品的铺层和工艺设计。但是，在实际工作中，部分工艺人员也充当了设计人员的角色[2]。具体产品产品设计研发流程如图

1所示：

图1 传统复合材料研发、制造流程示意图

如图1所示，传统复合材料的研发、制造过程中设计与工艺是分离开来的，

且其研制流程相对单一。上述缺陷导致设计和工艺配合度低，设计过程不受控制；制造时主要依靠二维图纸，使得复合材料的研制周期大大延长。

2 复合材料的一体化研制模式

2.1 复合材料一体化研制模式的总体思路

为了有效解决“1”中所述的复合材料设计和工艺过程的相互隔离的问题，本文

提出一体化研制模式。具体阐述如下：

在相关仿真分析、试验的基础上建立复合材料的铺层构型库；以复合材料的

设计技术和工艺技术为关键建立复合材料的关键技术层；以全三维在线协同设计

平台为主构建复合材料的平台层，并制定相应的设计、工艺规范体系[3]。此外，

根据产品研制流程的进程，决定工艺人员介入产品研制的程度。

2.2 复合材料一体化研制模式的主要内容

复合材料的设计工艺研制的内容包括有：协同设计文件、MBD设计方法、

IPD管理模式以及资源库应用技术等。其中的核心内容为MBD产品设计方法和

IPD管理模式。

（1）协同设计文件及规范体系文件建设

为了确保复合材料在研发、设计以及制造等各个阶段工作的规范性，项目组

成员搭建了全三维数字设计规范体系。该规范体系主要涵盖了复合材料的产品设

计标准、模板、设计手册以及产品开发等相关文件的管理手册。此外，严格对参

与复合材料研制工作人员的把控，保证全三维数字设计规范体系实施的有效性。

此外，确保人员的高度可换性，避免由于后期人员的更换导致整个模型的重建。

（2）基础资源库应用技术

随着计算机技术和信息技术的大力推广和应用，全三维设计技术已经广泛应

用于航天产品的设计中。其中，对于电缆、结构、仪器等零部件安装时过大的工

作量，需要调用大量的材料和基础资源[4]。基础资源库的应用技术从一定程度上

解决了上述问题，具体表现：1）基础资源库应用技术避免了大量重复建模和建

材料的工作；2）提高了涉及到复合材料资源的共享和使用效率。

在产品设计前期，项目组成员梳理与复合材料相关的所有资源、器件，并将

其纳入资源库中。当设计人员需要时可以从资源库中及时调用各类器件；当模型

发生变化时，将变动部分更新。

（3）复合材料MBD产品定义技术

MBD技术将产品设计和制造中的所有信息集成为一体，该技术是实现产品数

字化制造的关键。所谓MBD技术指的是，将产品的设计、工艺以与管理相关的

信息集成为一体，并对其整体实行统一管理[5]。具体操作流程为：产品的三维模

型为产品设计和制造的唯一依据，产品的结构形式、几何尺寸等通过数字化制造

和检测设备验证其是否满足要求，其核心思想在于：将传统的“尺寸几何”的概念

发展为更为可靠的“数字化几何”的概念。

虽然，在近些年来我国的部分企业已经逐步引入MBD的技术。但是，有部分企业尚未理解透MBD技术的真正含义。比如，现在仍有部分设计人员纠结在产

品的三维模型中应标准一些尺寸，导致其无法理解三维模型中不标准尺寸的原因，进而将产品二维模型中的尺寸照搬至三维模型中，最终导致产品研制中出现前后

不一致的情况，使得MBD技术无法发挥其应有的作用。

造成上述现象的主要原因在于，参与产品设计人员尚未从传统的模拟量思维

模式中转变为当前适应需求的数字化思维模式。因此，当设计人员真正理解MBD

技术的内涵，并建立复合材料结构设计和工艺一体化研制模式的理念。

(4)IPD复合材料管理模式

目前，IPD管理模式是整个各方资源，协调各方资源的解决方案。与传统模

式不同的是，IPD管理模式分析不同产品研制阶段的特点，并将复合材料的设计

和工艺阶段整合，实现了复合材料的并行研制。具体操作方案为：在正式发放产

品的三维图纸之前，工艺人员已经根据三维模型编制出相应的工艺流程；审图工

作将被分散到三维MBD图样发放的阶段。基于IPD管理模式，实现了复合材料设计与工艺的并行，进而得出MBD模型。总之，IPD复合材料的管理模式简化了复

合材料的设计及产品发放流程。

3 总结

随着科学技术的发展和时代的要求，复合材料在航天产品的应用已成未来发

展的必然趋势。为不断提升复合材料的性能及研发进度，应将数字化集成技术广

泛应用于其中，并着重优化MBD产品定义技术和IPD管理技术，以确保两项关键的数字化集成技术能够为复合材料的研发提供动力。

参考文献：

[1] 任晶志, 雷净, 马戎燕,等. 航天型号复合材料设计研制管理研究[J]. 航天工业

管理, 2017(8):109-113.

[2]吴扬. Helius在航空航天复合材料分析设计中的应用[J]. 机械设计与制造工程, 2010, 39(21):38-41.