1 复合材料可制备性设计

    在复合材料产品制造中，不同的工艺过程，具有满足相应的设计方案和技术指标的能力。但不同的工艺过程，适合于不同的树脂体系，所用设备复杂度不同，生产成本高低也不相同。在制造系统和工艺条件一定的情况下，制造工艺对设计具有约束决定作用。

    现有研究表明，复合材料成型工艺对温度的要求极为严格：其内部每一点的温度波动要求准确限定在一定的范围之内，仅为几摄氏度；同时，在同一制件的固化中，要求制件各点开始固化的时间和固化速度是一致的，否则将产生未固化区，并且在制件中产生有害的内应力，严重影响制件的机械性能。因此，在固化时应使制件内部形成一个均匀的温度场并使温度场随时间的变化符合一定的规律，以使制件同步固化。制件内温度场的分布和其变化规律直接决定和反映了固化性能，即固化质量和固化生产效率。

    零件的设计方案不仅确定了零件功能与性能，而且也决定了零件在加工过程中各项物理化学参数的变化特点。设计的变化对工艺过程的影响很大。不同的设计对应不同的材料温度场变化情况，而不同的温度场变化情况又对应着不同的制造质量。在实现了产品功能要求，保证了强度、刚度、重量指标之后，可以对复合材料产品的结构形状设计进行有利于后续加工的修正。例如机翼变厚度的加强筋壁板：加强筋的高度、厚度和加强筋的间隔，在保证强度、刚度和重量要求的条件下，可以对它们进行调整改变，如井字筋板或简单矩形筋板，这些都给设计提供了一定的选择性。设计造型上的改变可以通过影响辅助加工设备、设备与制件的接触形式及造型本身的特点来影响固化时的温度场分布及随时间变化的规律，从而最终影响产品的制造质量。这就是对产品构件进行可制备性设计的意义。同时，在设计早期阶段对设计方案进行改动相对容易，对整个开发影响不大；但若是在产品制造时才发现工艺过程难以实现设计要求，产品质量则无法保证，这时候如果进行设计修改，则不仅需要付出更多的劳动，而且大大延长了整个开发周期，增加了成本。因此，尽早发现问题，尽早采取决策非常重要。这正是并行工程的基本原理，它主要通过可制备性设计，在设计进行的过程中保证设计的合理性。

    2 可制备性设计模型及其实现

    图1是一种将工艺分析与设计系统集成，在设计过程中对所设计构件进行工艺支持，从而实现复合材料构件可制备性设计的系统模型。

图1  基于加热固化工艺分析的可制备性设计系统模型

    该可制备性设计系统是一种向设计过程提供可制造性分析、对构件设计进行工艺支持的信息反馈系统。这一信息反馈系统包含加热固化可制造性分析，分析评价和反馈支持)个核心子系统。设计方案首先进行加热工艺过程的可制造性分析，包括建立适用于工艺过程分析的产品信息模型；根据工艺参数和产品信息模型对加工过程的制件温度场变化情况进行仿真；由温度场的变化情况确定产品的各项物理化学特性，即固化率、固化情况、是否存在温度过高现象和温度过高点的分布情况等等。在加热固化可制造性分析数据的基础上，系统将对设计方案进行综合分析和评价，指出构形特征与工艺过程特点之间的联系，量化评价当前设计构形的制造性，为修正设计方案提供参考。当分析评价结果产生之后，需要采取合适的方式将评价结果准确反馈给设计系统或设计人员。反馈支持子系统用于实现这一功能。

    适用于并行工程的零件信息表述方法和准确的描述复合材料构件制造工艺过程的数学模型都是针对复合材料的DFM研究的关键技术。复合材料由于其制件成型的整体性和材料形成与制件成型的同时性，因而在对其进行设计工艺相关分析时，必须考虑构件整体设计特征及其与整个成型工艺过程相关的特性。同时，研究可制造性问题也需考虑由于复合材料制备的不同工艺方法所具有的各种特殊性。在本研究中，已提出了一种以零件信息场理论为基础的复合材料构件温度场计算数学模型，并开发了相应算法。