第一章 绪论
1.1研究背景
工艺装备的设计，体现着一个企业的工艺技术水平，而工装的设计与制造又是产品制造中影响生产准备周期和加工成本的重要因素。由于复合材料优异的比强度、比模量、耐热、耐疲劳等特性，目前复合材料构件的制造在飞机制造中具有极其重要的地位，而复合材料成型模具作为复合材料构件制造的主要工艺装备，其设计方法和设计水平在很大程度上反映企业复合材料制造能力的高低。本文源自南京航空航天大学 CAD/CAM 工程研究中心与哈尔滨航空工业集团有限公司（以下简称哈飞）的合作项目“基于 KBE 的工装快速设计系统开发”。哈飞是我国较早开展复合材料设计制造研究和生产实践的直升机制造企业，其飞机复合材料制造技术在国内居于领先水平。尽管起步相对英美等航空企业较晚，但是在一些重点型号上通过引进、消化以及自主开发，已经初步形成了基本的信息化应用环境，取得了显著的成果，基本实现了数字化的产品设计、工装设计与产品数据管理，但在复合材料工装设计效率、复合材料成型工艺参数优化及复合材料构件的无损检测技术等方面任需要进一步研究与改进。企业调研发现，在各类型号直升机制造中广泛采用了复合材料结构件（梁、框、肋等）、薄板件（蒙皮、舱罩、口盖、壁板等），广泛采用了模压成型、软模成型、RTM 成型、预浸料铺带、预浸料铺叠、共固化成型、热压罐固化等复合材料制造工艺方法。其中，手工铺叠、真空袋压法结合热压罐固化的方法制造薄板类构件是一种典型的复合材料制造工艺组合，在企业有着广泛的应用，因此其成型模具的设计在整个工艺装备设计和生产准备周期中占了很大的比例。
对于上述薄板类成型模具，按用材主要分为复合材料模具、铝板辊形金属模具、INVAR 钢模具等，为了改善复合材料固化时形成的温度场并提高热利用效率，目前其成型模具中广泛采用了一种称为薄板框架式的结构，如图 1.1 所示。该类模具的主要构成包括模板、型板架、底座以及叉车口。模板是复材构件型面的直接保证，型板架主要用来支撑模板和复材构件，型板架上面的散热孔主要用于复材构件成型时的热应力场流通（采用热压罐固化成型方法），底座为整个模具的支撑部分，叉车口主要是为了便于模具的运输。从结构上看，该类复合材料成型模具的模板采用了等厚薄板结构型式（钢板、铝板或复材层压件），即模板的上、下表面间满足等距关系。目前采用的数字化设计方法是工装设计员获得产品数模后，首先提取其成型曲面，通过延伸、修补、缩放等处理后得到工作模面，即模板的上表面；其次对工作模面进行等距处理，获得模板的下表面；最后由模板的上、下表面构造模板的实体模型。
在工作模面无法等距的情况下，目前企业采用的设计方法是对可以等距的曲面片单独等距，对其它部分采用过渡曲面进行修补，该方法复杂且周期长，而且工作模面等距后曲面片较多，不利于精度控制，因而在相关工装设计规范中，规定了模板厚度误差不超过 2mm，模板与型板架之间由于厚度误差导致的间隙采用树脂注入修补的工艺补偿方案。与基曲面相比，还存在等距面表达形式复杂，具有非常高的代数次数，不利于模型修改等问题。企业调研发现，一般情况下复合材料成型模具的设计周期在一个月左右，而模板设计就需两周时间，占到整个模具设计周期的一半左右。因此，模板设计质量的好坏以及效率的高低直接影响模具的设计周期和产品的研制周期。为了能够更好地响应市场需求，提高产品的市场竞争力，本文对该类复合材料成型模具设计中涉及的工作模面缺陷检测以及模板快速设计技术进行研究。
1.2国内外相关研究现状
复合材料成型模具的工作模面缺陷检测以及模板快速设计技术主要涉及到复杂曲面缺陷检测以及曲面等距两个方面的关键技术，为更好地开展本文的研究工作，现从理论研究和技术应用两个方面对国内外的研究现状进行论述。
第二章 工作模面的缺陷分析与检测
2.1 工作模面简介
模具的工作模面直接保证了复材构件型面具有正确的形状和尺寸，而型面的形状和尺寸直接或间接取自于产品构件的数模。对于复杂结构的产品数模，其型面一般较为复杂，因此工作模面的设计是一件非常费时的事情。通常的情况下，工装设计员在获得产品数模后，首先提取其成型面，然后按照工艺模拟或工艺实验数据得到的材料膨胀或收缩变形系数确定各方向合适的缩放比例，经过缩放后的模面数模再进行缺陷修正、修补、工艺面延伸等处理后才能得到成型模具的工作模面。通产情况下，复合材料成型模具的工作模面的曲率变化较小，非常尖锐的特征较少。图 2.1 分别为某直升机驾驶舱舱门的产品数模及其工作模面。
通常情况下，CAD 系统为了确保其模型的完整性，需要在一定的偏差下进行工作。例如，在表示模型的位置时并非采用了绝对的数据信息，而是与系统相关联的且带有一定程度误差的近似值。如 CAD 系统判断某个顶点是否位于某条曲线上是通过判断顶点与该曲线的距离是否小于系统偏差，而不是由计算结果判定。若小于该偏差，则说明该点位于该曲线上，否则说明该点位于曲线之外。类似的情况也会出现在判断曲线是否位于某张曲面上。因此，不同系统间的系统精度不同就很容易造成模型转换出现问题，如从一个精度较低的 CAD 模型导入一个精度较高的 CAD 系统时，就可能造成信息残缺等问题。
第三章 工作模面等距方法研究....................... 27-38
3.1 引言....................... 27
3.2 基于离散点等距算法的工作.......................27-35
3.3 工作模面等距实例....................... 35-37
3.4 本章小结 .......................37-38
第四章 具有不规则边界网格面.......................38-52
4.1 引言....................... 38
4.2 网格参数化技术....................... 38-43
4.2.1 参数化简介....................... 38-39
4.2.2 变形度量 .......................39-40
4.2.3 Floater 参数化方法 .......................40-43
4.3 具有不规则边界的网格参数化....................... 43-48
4.3.1 变分隐式曲面....................... 43-44
4.3.2 附加边界构造 .......................44-46
4.3.3 参数化实例....................... 46-48
4.4 B 样条曲面拟合....................... 48-50
4.4.1 B 样条曲面重建基本原理....................... 48-49
4.4.2 节点矢量确定 .......................49-50
4.5 B 样条曲面拟合实例....................... 50-51
4.6 本章小结 .......................51-52
第五章 复合材料成型模具的模板快速....................... 52-59
5.1 CATIA V5 & CAA 简介....................... 52
5.2 系统总体设计....................... 52-53
5.2.1 系统功能描述....................... 52
5.2.2 系统设计流程分析....................... 52-53
5.3 系统实现与应用实例 .......................53-58
5.4 本章小结 .......................58-59
结论
（1）研究了工作模面缺陷检测方法通过分析工作模面缺陷的主要表现形式和产生的原因，提出了曲面离散的缺陷检测方法，该方法可以有效解决由于设计人员的设计方法不当以及不同 CAD 系统之间的数据转换导致的工作模面缺陷，为模板的设计质量提高了保证，而且该方法实现简单且不用考虑复杂的几何、拓扑问题。
（2）研究了工作模面的等距方法复合材料成型模具的工作模面直接保证了复材构件型面具有正确的形状和尺寸，而型面的形状和尺寸直接或间接取自于产品构件的数模。对于复杂结构的产品数模，其型面一般较为复杂，因此工作模面的设计是一件非常费时的事情且很难直接采用 CAD 软件直接进行等距操作。本文在综合比较曲面等距的三类方法（基于参数曲面、网格曲面、点的等距方法）后提出了一种基于离散点等距算法的工作模面等距方法，该方法采用基于 K 近邻空间球搜索算法思想有效解决了自交处理问题，其等距面由隐式函数给出并采用 MC 算法输出其等距网格曲面。
（3）研究了具有不规则边界的网格面 B 样条曲面拟合方法由于工作模面的轮廓边界一般为不规则边界，因此其边界对等距网格曲面的拟合精度和曲面质量有较大影响。本文结合凸组合参数化方法计算效率高和一一映射的优点，提出了一种基于变分隐式曲面的网格参数化方法，该方法通过构造新的网格曲面边界避免凸组合参数化方法因固定网格边界导致的边界处网格参数化变形较大的问题。由于等距面采用隐式函数表达，因此该等距面具有隐式曲面全局光顺的特点，而且构造新边界的网格数据可以很好地保证等距面的边界更加光顺。
参考文献
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