基于CAD 模型的复合材料机翼 成本快速估算.pdf

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1、复 合 材 料 学 报第26卷 第4期 8月 2009年Acta Materiae C ompositae SinicaVol126No14August2009文章编号:100023851(2009)0420176205收稿日期:2008206230;收修改稿日期:2008210222基金项目:国家自然科学基金(90305004)通讯作者:余雄庆,博士生导师,研究方向为飞行器多学科设计优化 E2mail:yxq 基于CAD模型的复合材料机翼成本快速估算尹海莲1,2,余雄庆32(1.南京航空航天大学 无人机研究院,南京210016)(2.南京航空航天大学 飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南

2、京210016)摘 要:在机翼方案设计阶段需要快速对复合材料机翼的制造成本进行评估。基于制造工艺成本模型开发了复合材料机翼成本估算模型。应用CATIA二次开发技术编制了模型生成器,实现了参数化建模过程自动化,并为成本模型提供计算所需几何特征信息。实现了机翼设计方案CAD模型与成本分析模型无缝连接的自动化计算过程,给出了实现该过程的流程和主要步骤。以某型无人机复合材料机翼为例,验证了该方法的确能对不同结构布置形式和不同外形的复合材料机翼设计方案进行快速成本评估。估算结果表明,在外形相同的情况下,梁的个数增加1个,肋的个数减少4个的复合材料机翼,其总成本增加了约2.5%;在结构布置相同的情况下,展

3、弦比和梢根比的变化对该复合材料机翼总成本的影响不大。关键词:成本估算;复合材料机翼;制造工艺成本模型;CAD;参数化模型中图分类号:V224 文献标志码:ARapid cost estimation for composite wings based on CAD modelYIN Hailian1,2,YU Xiongqing32(1.Research Institute of Unmanned Aircraft,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China)(2.Key Laboratory of F

4、undamental Science for National Defense2Advanced Design Technology of Flight Vehicle,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract:Manufacturing cost evaluation is required in the preliminary design stage for composite wings.A costmodel for the composite wings was deve

5、loped based on the manufacturing process cost models.A model generator,which was implemented using CATIA software API,was used to generate the parametric CAD model of wings andprovided the geometric attribute for the cost model.The seamless linkage was established automatically between theCAD model

6、and the cost model.The steps of the implementation procedure were presented.The composite wings ofan unmanned aircraft were used to test the method.It is concluded that the procedure is able to rapidly evaluate thecosts for the wings with different external shapes and different structural layouts.Th

7、e results indicate that the totalcost of the composite wing increases by 2.5%when one more spar is added and four ribs are moved away for thestructural layout.The aspect ratio and taper of the wing do not have considerable influence on the total cost of thewing if the wing structural layout is uncha

8、nged.Keywords:cost estimation;composite wing;manufacturing process cost models;CAD;parametric model 复合材料在飞机结构设计中的应用越来越广泛,但其高昂的成本是当前影响其推广使用的一个主要问题1,因为复合材料飞机结构设计不仅要满足强度、刚度等力学性能要求,还要考虑制造成本因素。由于制造成本在很大程度上由设计方案决定223,对各种设计方案的制造成本进行评估十分必要。另一方面,应用CAD软件进行结构设计已成为设计人员的主要工作方式,设计方案通常用CAD模型表达。因此,如何根据CAD模型快速地对设计方案

9、的制造成本进行评估具有实用意义。本文作者应用CATIA二次开发技术,提出了一种基于CAD模型快速评估复合材料机翼结构设计方案的制造成本的方法。并以某型无人机复合材料机翼结构为例,验证了该方法能对不同外形和结构布局的机翼进行快速成本估算。1 复合材料机翼成本计算模型 对于复合材料机翼,成本主要由两部分组成:材料成本和工艺成本4。材料成本通常由纤维成本决定;工艺成本则由结构设计方案、生产量和实施的工艺方法决定。成本估算模型通常可以分成两大类:参数成本估算模型和制造工艺成本模型5。参数成本估算模型是将成本表示成与一个或多个变量(因素)有关的函数,应用数学表达式来估算成本。这种数学表达式通常根据以往统

10、计数据进行回归分析得出。工艺成本模型是在工艺过程分析的基础上,通过分析影响成本的因素,建立成本分析模型。这种成本模型需要考虑产品的整个制造过程,即在制造工艺水平识别所有与工艺相关的成本。它根据主要的制造成本分类,如材料成本、人工成本等,并对其进行详细的估算从而构建模型。该类模型比参数成本估算模型更加详细和准确,尤其适用于新的设计和工艺,但需要一定基础的工艺知识和制造工程知识。该类模型能快速适应工艺条件的改变,非常适合于把制造成本与设计特征、材料和制造工艺联系起来。因此本文中采用制造工艺成本模型估算复合材料机翼成本。1.1 工艺成本 工艺成本是复合材料机翼成本研究的核心,工艺时间直接影响工艺成本

11、。在制造活动的每一单位时间内,只要有人工、设备等参与,就会导致成本产生。而从设计角度来看,制造时间又直接受到零件尺寸、复杂性、结构及公差等因素影响。因此,建立复合材料机翼成本估算模型的核心就是建立制造工艺时间估算标准。通常,复合材料机翼制造体系符合一阶反应动力学行为,可用动力学定律描述工艺时间6。一阶反应动力学方程的表达式为v=v01-exp(-t/0)(1)将方程(1)积分,并作近似处理得到双曲线模型如下式728:t0=Lv00+12-1(2)其中:L表示结构件尺寸或机翼装配周长(通常为长度、面积或体积等);v0表示稳态速率;0是时间常数,表示达到稳态速度的滞后时间。参数v0和0根据文献9中

12、取值,如表1所示。图1为无量纲形式的双曲线模型。表1 复合材料机翼零部件的工艺成本参数Table 1Technical cost parameters forparts of composite wingItemv0/(cm2min-1)0/minDesign feature ofvariableSkinfabrication13.83334.3883Area/cm2Sparfabrication9.34286.2788Area/cm2Ribfabrication5.312210.3560Area/cm2Wingassembly0.071782.9877Assemblyperimeter/cm

13、图1 工艺时间与结构尺寸无量纲双曲线模型Fig.1Hyperbolic size scaling model of relationbetween manufacturing time and structural size 将表1中的参数和零件加工及装配几何特征参数代入式(2),就可以得到一件复合材料机翼零件的加工时间和装配时间。复合材料机翼零件的工艺成本根据加工时间、装配时间和劳动力价格计算,由下式确定:Cf=(tp+ta)Pl(3)其中:Cf表示零件工艺成本;tp表示零部件加工时间;ta表示机翼装配时间;Pl表示劳动力价格。1.2 材料成本 材料成本由所用的材料数量来确定,计算公式为10

14、Cm=L(1+s)Pm(4)771尹海莲,等:基于CAD模型的复合材料机翼成本快速估算其中:Cm表示材料成本;L表示成本估算变量,比如面积、长度、体积等;s表示废料率;Pm表示单位面积、长度或者体积的材料价格。如果不考虑机翼制造过程中的机器设备、工具损耗和模具制造等产生的成本,复合材料机翼总的制造成本为工艺成本和材料成本之和。根据式(2)(4)和表1中的参数,可编制复合材料机翼制造成本的计算程序。2 成本快速估算方法 由文章1.2所述的复合材料机翼成本分析模型可知,在方案设计阶段如能获得机翼各零件的面积、周长、装配长度等几何特性,即可估算机翼结构的成本。对结构复杂机翼,获取几何特性是一个费时的

15、过程。为了实现对设计方案成本的快速评估,本文中提出一种将机翼设计方案的CAD模型与成本分析模型无缝连接的方法,其流程如图2所示。图2CAD模型与成本分析模型无缝连接流程Fig.2Flowchart of seamless linkage betweenCAD model and cost model2.1 设计方案的参数化表述机翼设计方案由外形设计参数和结构设计参数来描述。机翼外形参数包括面积、展弦比、梯形比、前缘后掠角、扭转角、翼型等。结构设计参数包括结构布置参数和各构件的尺寸参数。结构布置参数指梁和肋的个数、位置和方向等;各构件的尺寸参数指蒙皮、梁(缘条和腹板)、肋(缘条和腹板)的尺寸等。

16、一旦给定了外形设计参数和结构设计参数,机翼结构的设计方案就唯一确定。2.2 自动生成机翼CAD模型由于航空工业界广泛采用CATIA软件作为设计工具,故本文中采用CATIA建立机翼外形和结构CAD模型。应用CATIA二次开发技术,采用VB6.0编程语言,通过调用CATIA的造型功能,开发出几何模型生成器。利用几何模型生成器,只需给出机翼的外形参数和结构参数,即可自动生成机翼外形和结构的CAD模型。图3为用几何模型生成器构建的机翼外形模型及结构参数化模型。图3 用模型生成器构建的机翼外形及结构参数化模型Fig.3CAD models of a wing shape and a wingstruct

17、ure by the model generator2.3 提取成本模型所需信息复合材料机翼成本计算模型所需输入的几何数据包括:蒙皮的制造面积、翼梁的制造面积、翼肋的制造面积、机翼总的装配周长等。为此,仍采用CATIA二次开发方法,应用VB6.0编程语言调用CATIA软件中计算几何特征的功能,提取各构件的面积、周长等参数。2.4 获得成本计算结果将上述提取的几何特征参数存入数据文件,作为成本估算模型的输入文件,然后运行编制好的成871复 合 材 料 学 报表22种机翼结构布置方案的成本比较Table 2Cost comparisons between two layouts of wing s

18、tructuresStructural layoutManufacturing cost of parts/ten thousand yuanAssembly cost of parts/ten thousand yuanSkinSparRibSkinSparRibTotal cost ofwing/ten thousand yuan2 spar&16 rib1.9040.5850.8432.2342.2264.41012.2023 spar&12 rib1.9040.9280.6342.2343.3413.47112.512本估算模型程序,即可获得成本计算结果。上述流程全部采用VB6.0计算

19、机语言编写,实现了机翼结构CAD模型到成本计算模型的无缝连接。在机翼方案设计阶段,只要给定设计方案参数(外形参数和结构参数),运行该程序,即可快速计算出该设计方案的机翼成本。3 应用实例 以某型无人机复合材料机翼结构设计为例,应用前面所述方法对不同机翼结构设计方案的成本进行快速评估。表42种机翼外形方案的成本比较Table 4Cost comparisons between two wings with different shapesConfigurationManufacturing cost of parts/ten thousand yuanAssembly cost of parts

20、/ten thousand yuanSkinSparRibSkinSparRibTotal cost ofwing/ten thousand yuan11.9040.5850.8432.2342.2264.41012.20221.9040.5870.7232.3852.3814.13712.1173.1 不同机翼结构布置方案的成本比较 机翼外形相同,外形尺寸为面积6.5 m2,展弦比8.8,梢根比0.4;但结构布置形式不同。第1种结构设计方案采用双梁式布局,梁采用等百分线分布,位置分别为25%和70%弦长处,沿展向等距布置16个肋;第2种方案采用三梁式布局,梁等百分线分布位置分别为19%、45

21、%和70%弦长处,沿展向等距布置12个肋。本实例中复合材料机翼部件全部采用碳纤维铺层结构,机翼制造主要分蒙皮成型和蒙皮、梁和肋间的装配胶接。根据目前市场报价,材料单价约为300元/m2。蒙皮、梁和肋的胶接材料单价约为24元/m。根据经验,加工第1件复合材料机翼的材料废料率大约为40%。以上各种设计方案零件设计均采用基本铺层,假定上下蒙皮各铺有5层,翼梁铺有20层,翼肋15层,劳动力价格取60元/小时。应用前面编制的程序对这2种设计方案的成本进行评估,分别计算出每个零件的制造成本(包括零件材料成本和制造工艺成本)、装配成本和总成本。2种方案的成本计算结果见表2。与方案1相比,方案2梁的个数增加了

22、1个,其制造成本和装配成本分别增加了58.6%和50.1%;肋的个数减少了4个,其制造成本和装配成本分别减少了了24.8%和21.3%;总的效果是方案2的成本比方案1机翼总成本大约多了0.31万元,约增加了215%。另外,从结果中也可以看出复合材料机翼各个零件的装配成本较高,占总成本的50%以上。3.2 不同机翼外形方案的成本比较2种机翼的结构布置方式相同,均采用双梁式布局,沿展向等距布置16个肋,但机翼外形不同,2种机翼外形的参数见表3。2种方案机翼面积相同,其中第2种方案展弦比、梢根比均大于第1种方案。2种机翼成本的计算结果见表4。从表4可看出外形的变化会影响梁、肋的制造成本和装配成本,但

23、同时也看出当2种机翼的面积、以及梁、肋个数相同时,展弦比、梢根比的变化对机翼总的成本影响不大。表32种机翼的外形参数Table 3Shape parameters for two wingsConfigurationArea/m2Aspect ratioTaper of wing16.508.80.4026.5010.00.50971尹海莲,等:基于CAD模型的复合材料机翼成本快速估算4 结 论(1)为了能在方案设计阶段对机翼结构成本进行快速评估,本文作者提出了一种从参数化CAD模型到成本估算模型无缝连接的方法。其中的关键是采用CATIA二次开发技术从机翼CAD模型自动提取成本估算模型所需的几

24、何特征信息。(2)以某型无人机复合材料机翼结构设计为例,验证了该方法确能对不同结构布置和不同外形的机翼设计方案的成本进行快速估算。计算结果可为设计人员提供决策依据。(3)本文的复合材料机翼成本计算模型并未考虑零件制造复杂性因子等对工艺时间的影响,因此,进一步工作应考虑随零件几何复杂性所带来的时间常数增大而速度常数减小等因素对成本的影响,并且将从生产实践中进一步搜集用于建立较精确的成本模型的数据,对机翼成本模型进一步细化,以便在方案设计阶段能更精确地估算成本。参考文献:1杜善义.先进复合材料与航空航天J.复合材料学报,2007,24(1):1212.Du Shanyi.Advanced comp

25、ositematerials and aerospaceengineering J.Acta Materiae Compositae Sinica,2007,24(1):1212.2Tirovolis Nikolaos L,SerghidesVarnavasC.Unitcostestimation methodology for commercial aircraft J.Journal ofAircraft,2005,42(6):137721386.3 叶 强,陈普会,柴亚南.复合材料结构制造成本估算模型及软件开发J.复合材料学报,2008,25(4):1612167.Ye Qiang,Ch

26、en Puhui,ChaiYanan.Costmodeling forcomposite structure fabrication and its code development J.Acta Materiae Composite Sinica,2008,25(4):1612167.4Laan A H,Tooren M J L.Incorporating cost analysis in amultidisciplinary design environment for aircraft movables J.Journal of Engineering Design,2007,19(2)

27、:1312144.5Rais2Rohan M,Dean E B.Toward manufacturing and costconsideration in multidisciplinary aircraft design,AIAA29621620 R.Washington:AIAA,1996:260222612.6Gutowski T G,HoulT D,DillonG.Development of atheoretical cost model for advanced composite fabrication J.Composites Manufacturing,1994,5(4):2

28、312239.7Curran R,Raghunathan S,Price M.Review of aerospaceengineering cost modeling:The genetic causal approach J.Progress in Aerospace Sciences,2004,40(8):4872534.8Choi J W,Kelly D,Raju J.A knowledge2based engineeringtool to estimate costand weight ofcomposite aerospacestructures at the conceptual

29、stage of the design process J.Aircraft Engineering and Aerospace Technology,2007,79(5):4592468.9Bao Han P,Samareh J A.Affordable design:A methodologyto implement process2based manufacturing cost models intothe traditional performance2focused multidisciplinary designoptimization,AIAA2200024839 R.Washington:AIAA,2000:127.10 Choi J W,Kelly D,Raju J,Reidsema C.Knowledge2basedengineeringsystemtoestimatemanufacturingcostforcomposite structures J.Journal of Aircraft,2005,42(6):139621402.081复 合 材 料 学 报