区域法、铺层法与 Multi-Ply 方法应该如何选择?

本文以 Fibersim 为例,说明区域法、铺层法与 Multi-Ply 方法各自的做法与取舍,并按铺层复杂度、变更频率和分析交换需求,给出复合材料铺层设计方法的选择思路。

区域法、铺层法与 Multi-Ply 方法,是 Fibersim 中三种不同的复合材料铺层设计思路。选择的关键不是哪种更先进,而是看零件的铺层复杂度、设计变更的频率、是否要与分析模型交换数据,以及团队对方法的熟悉程度。简单来说:铺层法灵活直观,但要逐层创建边界;区域法自动化程度高,但铺层形状由区域要求间接决定;Multi-Ply 方法用规格来驱动铺层边界的生成。

本文以 Fibersim 为例,说明三种方法各自的做法与取舍,并给出按零件特点选择的判断思路。本文不讨论具体的材料选型、铺放工艺参数和有限元分析设置。

本文要点

  • 铺层法逐层创建边界,灵活简单;区域法按区域要求自动生成,速度快但较难理解;Multi-Ply 方法由规格驱动边界生成;
  • 选择主要看铺层复杂度、变更频率、与分析的交换需求和团队经验;
  • 三种方法不是互相取代的关系,不同零件可以选用不同方法;
  • 初步判断之后,建议用典型零件试做,再决定是否推广。

一、为什么要先选铺层设计方法

复合材料零件的铺层设计,不只是把几何画出来。每层铺层的形状、递减位置和数量,决定了零件的厚度分布,也影响后续的分析与制造。

Fibersim 提供了不同的铺层设计方法,方法一旦确定,下面三件事也就基本确定了(以下为工程经验归纳):

事项 1

怎么改设计

是逐层修改铺层边界,还是修改区域要求或规格。

事项 2

怎么和分析交换

区域法有对应的交换格式,其他方法的交换方式以所用版本为准。

事项 3

对人的要求

设计人员需要理解的是单个铺层,还是区域与规格的关系。

选错方法的代价是双向的:铺层很多的零件仍然逐层手工建模,每次变更都要重做大量边界;结构简单的零件却先花时间搭建一套复杂的规则,前期投入反而超过收益。

因此,先判断合适的方法,再开始铺层设计。

二、三种方法分别是什么

文中的“递减”对应 drop-off,“基础形状”对应 base shape,这些中文译名没有统一标准,以所用版本的界面为准。本节内容基于 Fibersim 14 时期的功能说明,后续版本的能力以所用版本为准。

PLY-BASED

铺层法

设计人员逐层创建铺层,并为每一层建立边界几何。

铺层法通常是手工、耗时的,因为每一层的边界几何都要单独创建;它的特点是灵活、简单。

优势是每一层都在设计人员手中,容易理解;代价是铺层越多,工作量越大。

ZONE-BASED

区域法

先按零件的不同区域给出材料要求,再由系统据此生成铺层。

区域法自动化程度高、速度快,但对复合材料设计的新手来说较难理解,因为铺层形状是由零件各区域的材料要求间接决定的。

Fibersim 14 与 NX Laminate Composites 可以交换区域法的复合材料定义,交换内容包括材料要求和定义区域的几何,在 CAE 前后处理软件中做出的初步设计可以被重用。

MULTI-PLY

Multi-Ply 方法

一种由规格驱动的自动化方法。设计人员定义材料、材料组、递减轮廓和递减间距等规格,并把它们关联到不同的基础形状上,再由规格来管理铺层边界几何的创建。

基础形状彼此独立,可以叠放或重叠。修改设计时,修改的是规格而不是几何。

Multi-Ply 可用于多种零件类型,也用来处理复杂的拼接(splicing)场景。

原厂曾给出的数字是,与铺层法相比,Multi-Ply 完成类似设计最多可节省 80%。实际效果取决于零件,企业不宜直接当作预期收益。

Fibersim 14 还为自动化方法(区域法和 Multi-Ply)新增了“填充到曲线”(fill-to-curve)和“沿曲线延伸”(extend-along-curve)两种过渡方式(中文为暂译),前者可以根据区域或基础形状与所选曲线或边,自动确定铺层递减和间距。

三种方法大致处在从“铺层法的灵活简单”到“区域法的结构化自动化”的范围里,选择就是在其间取舍。

三、三种方法对比

下表把三种方法放在一起比较。其中“改设计时改什么”中铺层法和区域法的说法,以及“适合的零件”一行,为工程经验判断,具体以企业自身情况为准。

对比项 铺层法 区域法 Multi-Ply 方法
设计起点 逐层创建铺层 按区域给出材料要求 定义规格,关联到基础形状
边界怎么来 手工创建每一层的边界 由区域的材料要求间接决定 由规格管理边界的创建
改设计时改什么 逐层修改边界 修改区域的材料要求 修改规格,而不是几何
自动化程度 低,手工、耗时 高,自动、速度快 高,由规格驱动
上手难度 灵活、简单 对新手较难理解 需要理解规格与基础形状的关系
适合的零件 铺层少、形状简单,需要逐层掌控 厚度按区域变化、需与分析模型来回交换 零件类型多、有复杂拼接,希望用规格统一管理

三者不是互相取代的关系。Fibersim 同时提供这几种设计方法,企业可以按零件的特点选择。

四、如何选择

三种方法没有固定的选择标准。以下五个判断维度来自工程经验归纳,可结合企业的零件情况使用。

维度 1

铺层数量与形状复杂度

铺层少、形状规则时,铺层法的手工代价不大。

铺层多、厚度沿零件逐步变化时,逐层创建边界的工作量会迅速增加,更适合区域法或 Multi-Ply。

维度 2

设计变更的频率

变更频繁时,“改区域要求”或“改规格”,比逐层改边界省力。

Multi-Ply 的特点正是修改规格而不是几何。

维度 3

是否要与分析交换

需要与 CAE 前后处理软件来回交换时,区域法的交换格式包含材料要求和区域几何,可以重用初步设计。

维度 4

团队的经验

区域法对复合材料设计新手较难理解,铺层法灵活简单。

团队经验有限时,建议从能看懂的方法起步,再逐步引入规格驱动的方法。

维度 5

拼接与可制造性要求

Multi-Ply 可用于处理复杂拼接场景。

不论选哪种方法,都应在设计发布前检查拼接和可生产性。

选择不必全公司统一。同一产品中不同零件可以选用不同方法;有代表性且变更较多的零件,最值得先做试点。

五、可执行的选择流程

把上一节的维度串起来,可以按下面的顺序做初步判断。

  1. 判断铺层是否少、形状是否简单是,倾向铺层法;否,进入第 2 步。
  2. 判断是否需与分析来回交换是,倾向区域法;否,进入第 3 步。
  3. 判断变更是否多或有复杂拼接是,倾向 Multi-Ply 方法;否,按团队熟悉程度选择。
  4. 用典型零件试做对比建模工作量,以及模拟一次设计变更所需的工作量。

三个问题依次判断,每个结论都只是初步倾向。无论落在哪一种,都建议用一个有代表性的零件试做,再决定是否推广。

六、三个常见误区

以下误区来自工程经验归纳。

  • 误区一:自动化程度越高的方法越好。自动化高不等于适合。区域法自动、快,但它对复合材料设计的新手较难理解。铺层少、形状简单的零件,用铺层法的手工代价很小,没有必要为了自动化而强行建立规格。
  • 误区二:选了 Multi-Ply,就能自动解决所有铺层设计问题。Multi-Ply 的规格(材料、材料组、递减轮廓和递减间距)需要设计人员来定义,规格定义不合理,生成的边界也不会合理。“最多节省 80%”是原厂给出的数字,不能直接当作企业自己的收益预期。
  • 误区三:选定一种方法,就要全公司统一。不同零件的铺层复杂度、变更频率和分析需求都不同,更合理的做法是按零件类型定一个默认方法,并说明何时可以换。

七、结语

区域法、铺层法与 Multi-Ply 方法的选择,本质上是在“灵活简单”和“结构化自动化”之间取舍。做法可以归结为三步:先判断零件的铺层复杂度、变更频率和分析交换需求;再结合团队经验得到初步倾向;最后用典型零件试做,验证后再定标准。

了解 Fibersim 的复合材料设计与制造能力,可参考 Fibersim 复合材料设计与制造。如需结合企业的零件特点选择铺层设计方法、开展应用培训,也可以了解我们的 软件实施与应用 服务。

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