定制瓶坯的设计工程

最近开发了许多新技术来减少复合材料的周期时间和成本，目的是增加复合材料在汽车、工业和消费品应用中的使用。最有前景的发展领域之一是自动化生产线，这些生产线切割和放置热塑性预浸带以形成定制的坯料，然后使用压缩成型和注塑包覆成型将它们转换成零件。积极参与这一发展的公司包括 Airborne（荷兰海牙）、Van Wees UD 和 Crossply Technology（荷兰蒂尔堡）以及法国工程和先进制造 R&T 组织 Cetim（法国南特）。后者于 2015 年推出了绗缝层工艺 (QSP)。QSP 可以生产复杂形状的零件，生产线脉冲时间为 40-90 秒。例如，使用 QSP，将 13 片 1.5、2 和 3 毫米厚的有机片（机织织物热塑性预浸料）和 UD 胶带成型为 L 形梁的欧米茄形轮廓集成为 6 毫米厚的部件每个零件的循环时间小于 77 秒。

然而，要利用 QSP 等自动化技术，工程师必须开发设计和优化方法，以评估部分层的许多理论组合以及层数、厚度、位置和组成（例如，钢筋类型和结构）的相应变化。纤维取向）。考虑到这一点，Cetim 将其在复合材料结构分析、无损检测 (NDT) 和制造方面的经验与 ONERA（法国航空航天实验室）在航空航天行业多年使用的先进优化方法方面的专业知识相结合。结果就是 QSD，这是 Altair Engineering（美国密歇根州特洛伊）的 HyperWorks 计算机辅助工程 (CAE) 软件中现在可用的工具。它基本上是一个优化插件，有助于设计使用基于胶带和有机片材的工艺制造的复合部件并控制其成本，包括如何重新利用生产废料以实现零浪费、闭环制造。

四步流程

QSD 方法包括四个步骤：结构优化、形状分析、叠层识别和设计成本分析（图 1）。这些都有助于设计人员快速测试输入材料的作用，并就机械和制造约束做出正确的决定，以控制零件成本。 QSD 插件是与 Altair 一起开发的，以便所有 HyperWorks OptiStruct 用户在众所周知的环境中都可以直接使用它。这些用户可以利用 QSD 的优势，而无需开发新的有限元模型，而是使用他们已经开发的内部专有技术和 Altair 软件。

结构优化

在 QSD 流程的第一步中，选择热塑性胶带材料，并从设计人员选定的数据库或 Altair 的各向异性热塑性复合材料及其微机械模型的 Multiscale Designer 数据库中输入其属性（包括强度、模量和其他标准参数）。 QSD 使用该数据库和 HyperWorks Optistruct 来完成“刚度匹配”优化。由于该分析的某些结果不容易预想（例如，各向异性刚度），QSD 提供了多种与复杂但丰富的数据交互的方法，包括直接变量场或解释结果，例如主要刚度方向或刚度极坐标图（图 1）。所有这些显示定义了相同的机械响应，但根据用户选择的偏好提供定制的视图。目标是帮助设计人员理解和可视化实现所需零件性能的前进路径。这一步是可以优化厚度和质量的地方，与金属部件相比，后者通常最多可减少 50%。

整形分析

下一步可帮助设计人员做出必要的妥协，首先使用悬垂估计器工具展平零件（从 3D 形状转换为 2D 片材），然后使用聚类算法执行该片材的自动分区。目标是更简单、更快速地评估扁平预制件和最终零件之间的联系。图2所示的汽车叉臂 最初根据有限元网格和 OptiStruct 的结果将其分为 300 个区域，但 QSD 将该数量减少到 5 个区域。

然后设计师可以拉直和平滑每个区域的边缘，以最大限度地减少相应切割层中的浪费。这是提高制造可行性以控制成本的关键步骤。这一步也很有趣，因为设计师可以评估层和形状简化对零件机械性能的影响。如果要在机械性能和零件可制造性/废料/成本之间做出妥协，则此步骤为该评估提供数据。

叠层识别

此步骤的目的是通过从 QSD 堆叠数据库或层库中进行选择来确定每个区域的最佳局部铺层，这些数据库可以通过用户特定的数据进行丰富。 QSD 工具可帮助设计人员绘制零件的层，然后通过机械标准（例如，局部位移、屈曲系数或特征频率）评估零件的响应来测试以找到最佳叠层策略。

设计成本分析

在这最后一步中，设计师可以评估零件的材料成本，包括废料，以及由于层的切割和组装而产生的制造成本。事实上，层数和每层的材料浪费是主要的成本驱动因素。 QSD 将很快提供对废物的快速评估，从而在早期设计迭代期间实现估计值。对于最终迭代，可以导出每个层，以对用户喜欢的任何软件执行详细的嵌套分析。如果需要，设计人员也可以定制零件成本评估公式的参数。因此，设计人员可以评估各种叠层策略并比较它们的浪费、可制造性、成本和机械性能。

请注意，QSD 可以评估各种半产品的使用情况，例如胶带和编织或交叉层有机片材。它还可以评估回收材料，例如由 Carbon Conversions、ELG 碳纤维和其他公司回收的碳纤维制成的无纺垫，或使用 Cetim 的 Thermosaïc 技术或其他类似工艺由热塑性废料制成的热成型片材。当然，这些材料的机械性能是需要的，但一旦确定，它们就可以很容易地输入到 QSD 模块中，包括最终的层库/堆叠数据库。通过这种方式，该部件产生的废料被用于该部件中，以实现零浪费、闭环制造——这是所有复合材料制造在可持续性方面的理想目标。

增加复合材料使用的工具

QSD 适用于设计流程的第一步，因为它不仅适用于 Cetim 的 QSP 流程，而且适用于用于创建定制瓶坯的所有流程，无论自动化程度如何（例如，自动贴带、自动切割和手糊）。它旨在帮助工程师在设计工作流程的早期优化他们的零件并避免错误的设计选择。

参考：

[1] “采用绗缝层工艺快速且经济高效地制造复合材料部件的新型设计方法” François-Xavier Irisarri、Terence Macquart、Cédric Julien、Denis Espinassou。

关于作者

Denis Espinassou 是 QSD 的机械工程师和项目负责人。他于 2010 年加入法国机械研究所 Cetim，担任长纤维热塑性复合材料结构设计和优化专家。他还负责通过原型制造和机械验证进行产品开发。