第３期 纤维复合材料 ＮＯ．３ ７ ２０１１年９月 ＦＩＢＥＲ ＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳ Ｓｅｐ．，２０１１ 基于ＣＡＴＩＡ的复合材料结构优化设计 陈家正 ，高禹 ，张振龙 （１．哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨１５００３６）（２．空军驻长春地区军事代表室，长春１３００１２） 摘要简述了ＣＡＴＩＡ软件在复合材料结构设计中的应用，利用ＣＡＴＩＡ设计软件中的Ｃｏｍｐｏｓｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（复合材料 设计）和Ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ（有限元结构分析）模块对复合材料方形盖体进行三维实体结构设计与力学分 析。通过计算得出了方形盖体的工艺角 ＝１４。时，方形盖体的密封面变形最小，优化了方形盖体的结构，利用 ＣＡＴＩＡ中的Ｃｏｒｅ＆Ｃａｖｉｔｙ Ｄｅｓｉｇｎ（阴阳模设计）模块设计出复合材料方形盖体的阴阳模。 关键词复合材料；ＣＡＴＩＡ有限元分析；结构优化设计；阴阳模设计 ＣＡＴＩＡ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ ＣＨＥＮ Ｊｉａｚｈｅｎｇ ，ＧＡ０ Ｙｕ ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｌｏｎｇ （１．Ｈａｒｂｉｎ ＦＲＰ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００３６，Ｃｈｉｎａ） （２．Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ａｆｆａｉｒｓ Ｄｅｐｕｔｙ Ｏｆｉｆｃｅ ｏｆ ＰＬＡ Ａｉｒｆｏｒｃｅ ｉｎ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＣＡＴＩＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ ＣＡＴＩＡ Ｃｏｍｐｏｓｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉｌａ ｄｅｓｉｇｎ）ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｓｔｕｒｃｔｕｒｌａ ａｎａｌｙｓｉｓ（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓ－ ｉｔｅ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｖｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ３ Ｄ ｅｎｔｉｔｙ ｂｏｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｇｌｅ ｆｏｒ ｃｏｖｅｒ ｂｏｄｙ １４。，ｓｑｕａｒｅ ｃｏｖｅｒ ｓｅａｌｉｎｇ ｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ ｍｉｎｉｍｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｖｅｒ ｂｏｄｙ，ｕｓｅ ｔｈｅ ＣＡＴＩＡ Ｃｏｒｅ＆Ｃａｖｉｔｙ Ｄｅｓｉｎｇ（ｃａｖｉｔｙ ｂｌｏｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｐｉｓｔｏｎ ｄｅｓｉｇｎ）ｍｏｄｕｌｅ ｄｅｓｉｎｇ ａ ｃｏｍ－ ｐｏｓｉｔｅ ｃｏｖｅｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｂｏｄｙ ｓｑｕａｒｅ ｃａｖｉｔｙ ｂｌｏｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｐｉｓｔｏｎ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃａｔｉａ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｎｇ ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｒｅ＆ｃａｖｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ １ 引言 方形盖体进行结构优化设计及模具设计。图１为某 ＣＡＴＩＡ最早由法国达索飞机公司研制，后来属 复合材料方形盖体的结构示意图，该复合材料方形 于ＩＢＭ公司，是一个高档ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ系统。广 盖体形状复杂，要求将ａ、ｂ、ｃ三点固定，内部承受特 泛用于航空航天、汽车、模具等领域。ＣＡＴＩＡ可在 定压力的情况下，工艺角Ｏｔ取何值时密封面的变形 设计阶段分析零件在特定工况下内部的受力状态。 最小。 利用该功能，在满足零件设计要求的基础上，可以充 ２结构优化设计 分优化零件的设计。根据其提供的３Ｄ线架，用户 可以精确地建立、修改与分析３Ｄ几何模型。其曲 ２．１ 建模 面造型功能包含了高级曲面设计和自由外形设计， 根据图１所示的结构，利用ＣＡＴＩＡ设计软件中 用于处理复杂的曲线和曲面定义，并有许多自动化 的零部件设计模块建立三维实体模型（图２）。 功能。ＣＡＴＩＡ提供的装配设计模块可以建立并管 ２．２定义材料属性 理基于３Ｄ的零件和约束的机械装配件，自动地对 利用ＣＡＴＩＡ设计软件中的Ｃｏｍｐｏｓｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（复 零件问的连接进行定义，便于对运动机构进行早期 合材料设计）模块定义复合材料方形盖体的材料属 分析，大大加速了装配件的设计，后续应用则可利用 性，材料为ＧＬＡＳＳ，将材料参数输入Ｃｏｍｐｏｓｉｔｓ Ｐａ— 此模型进行进一步的设计、分析和制造。ＣＡＴＩＡ中 ｒａｍｅｔｅｒ（复合材料属性对话框）中。如图３所示，在 的有限元分析程序，可以进行应变、应及位移分析。 对话框内定义４行材料参数值，分别为（０，０）、（４５， 该软件的后处理程序支持铣床、车床和多轴加工。 ４５）、（一４５，一４５）、（９Ｏ，９０）。 本文利用ＣＡＴＩＡ设计软件对某复合材料模压 ３期 陈家正，等：基于ＣＡＴＩＡ的复合材料结构优化设计 ９ ４结语 利用ＣＡＴＩＡ软件对复合材料方形盖体进行实 体建模与力学分析，优化了复合材料方形盖体的结 构。当复合材料方形盖体的工艺角 ＝１４。时，复合 材料方形盖体密封面的变形量最小，为０．２３８ ｍｍ， 对优化后的方形盖体进行了阴阳模设计。 图６阴阳模曲面 参考文献 由图６可知，上部曲面为阴模曲面，下部为阳模 ［１］盛选禹，唐守琴．ＣＡＴＩＡ有限元分析命令详解与实例［Ｍ］．北 曲面，进入零部件设计模块，选择实体拉伸（凸台） 京：机械工业出版社，２００５． 工具，在凸台定义对话框中选择直到曲面便可以设 ［２］ 盛选禹，唐守琴．ＣＡＴＩＡＶ５ Ｒ１７有限元分析实例教程［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００９． 计出方形盖体的阴阳模（图７）。 ［３］刘钧，尹昌平，曾竞成．软模／真空辅助ＲＴＭ工艺用模具设计 与制备［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００４（５）：３３—３５． ［４］ 冯贤贵，陈天富．材料力学［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，１９９８． ［５］ 赫恩Ｅ Ｊ著，孙立谔译，奚绍中校．材料力学［Ｍ］．北京：人民 教育出版社，１９８１． ［６］王兴业．复合材料力学分析与设计［Ｍ］．长沙：国防科技大学 出版社，１９９９． ［７］ 杨乃宾．复合材料飞机结构设计［Ｍ］．北京：航空工业出版社， ２００４． 图７方形盖体的阴阳模 （收稿日期：２０１１—０８—２５） 套盒客客客套 盎盎客客套套套客 会窘套客 客套盒 盒盘 套 盒盒会客盒套套 （上接第６页） ［８］ＤＡＬＭＡＺ Ａ，ＤＵＣＲＥＴ Ｄ，ＧＵＥ￣ＯＵＭＡ Ｒ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ｅｌａｓｔｉｃ 值计算［Ｊ］．纤维复合材料，２００３，２０（２）：７—８． ｍｏｄｕｌｉ ｏｆ ａ ２．５Ｄ Ｃｆ／ＳｉＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ［１３］ 董伟锋，肖军，李勇，等．２．５维编织复合材料弹性性能的理论 ｅｓｔｉｍａｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，６０ 预测［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２００５，３７（５）：６５９—６６３． （６）：９１３—９２５． ［１４］ 郑君，温卫东，崔海涛，等．２．５维机织结构复合材料的几何模 ［９］ＤＡＬＭＡＺ Ａ，ＲＥＹＮＡＵＤ Ｐ，ＲＯＵＢＹ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅ． 型［Ｊ］．复合材料学报，２００８，２５（２）：１４３—１４８． ｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｃｙｃｌｉｃ ｆａｔｉｇｕｅ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｒｎ— ［１５］ 曹海建，钱坤，盛东晓．２．５维机织复合材料的几何结构模型 ｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ａ ２．５Ｄ Ｃ／ＳｉＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ 与验证［Ｊ］．纺织学报，２００９，３０（５）：５８—６２． Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，５８（５）：６９３—６９９． （１６］ 郑君，温卫东，崔海涛，等．２．５维机织结构复合材料的弹性性 ［１０］ ＣＡＳＳ Ｌ，ＥＬＩＺＡＬＤＥ Ｍ Ｒ，ＭＡＲＴＩＮＥＺ～ＥＳＮＡＯＬＡ Ｊ Ｍ．Ｉｎｔｅｒ－ 能预测［Ｊ］．航空动力学报，２００８，２３（１１）：２０３１—２０３５． ｆａｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ａ ［１７］ 董伟锋，肖军，李勇．２．５维编织复合材料力学性能的有限元 ２．５Ｄ ＳｉＣ／Ｃ／ＳｉＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ａ，２００２，３３ 分析（Ｊ］．材料科学与工程学报，２００７，２５（５）：６５７—６６１． （１０）：１４４９—１４５２． ［１８］ 张立泉，朱梦蝶，戚晓强，等．层与层间浅交联２．５Ｄ结构对其 ［１１］ＩＶＥＮＳ Ｊ，ＤＥＢＡＥＲＥ Ｐ，ＭＣＧＯＬＤＲＩＣＫ Ｃ，ｅｔ ａ１．２．５Ｄ Ｆａｂｒｉｃｓ 复合材料经向拉伸强度的影响［Ｊ］．玻璃纤维，２００２（６）：５— ｆｏｒ ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ， ９． １９９４，２５（２）：１３９—１４６． ［１２］蒋云，朱建勋，张建钟，等．２．５维编织结构纤维体积含量的数 （收稿日期：２０１１—０４—１５）
