Fibersim複合材料設計與工藝技術應用（簡體書）

《Fibersim複合材料設計與工藝技術應用》一書根據西門子Fibersim的英文版官方教材和用戶指南z新大綱編寫，重點介紹了Fibersim15.0的新功能及各種基本操作方法和技巧。其z大的特點是，在大量利用圖解方法進行知識點講解的同時，巧妙地融入了航空、汽車等多個領域的複合材料工程應用案例，使讀者能夠在復合材料工程實踐中掌握Fibersim的操作方法和技巧。
本書分為7章，分別介紹了Fibersim15.0的軟件理念、基礎界面、基於實體創建幾何要素、基於鋪層設計理論、影響鋪層鋪覆性的因素、鋪覆方法論對鋪覆性的影響、優化鋪覆性問題的措施、坐標系類型、層壓闆對稱、夾芯類型、多鋪層設計理論、基於區域設計理論、過渡區高級處理、設計鋪層高級定義、高級設計技術、製造數據高級定義、3D數據文檔創建、2D數據文檔創建、體積填充設計理論、自動鋪覆設計理論、導入接口、導出接口、導出選項、民品、汽車、地鐵、無人機以及航空的應用案例。
本書內容翔實，圖文並茂，語言簡潔，實例豐富，既可以作為初學者的入門與提高教材，也可作為複合材料產品研發工程的輔導與自學教材。

洪清泉，上海波客實業有限公司創始人，總經理，北京理工大學車輛工程碩士，曾任上海飛機設計研究院結構設計工程師和Altair中國公司高級技術經理，主要研究方向為航空航天和車輛的仿真優化和輕量化設計，主編《HyperWorks進階教程系列》三本書。2013年創立波客公司，帶領團隊參與中國商飛和中航工業的多個飛機型號、中國航天多個複材部段的研發和改進，特別是C919和CR929的碳纖維複合材料機翼機身研發，並研究和實踐汽車碳纖維部件正向研發，為汎亞、上汽、北汽、廣汽、前途、眾泰等開發數十個碳纖維四門三蓋及白車身加強件，目前也正在從事軌道交通碳纖維複合材料車體正向研發、Fiberbook複合材料結構優化設計軟件研發。

呂長，西門子工業軟件亞太區高級顧問，SES業務發展經理。上海交通大學畢業，加入西門子工業軟件10年。
在工業軟件領域有十餘年的應用經驗，目前負責西門子專業工程軟件（包括Fibersim、Syncrofit、Mastertrim等）在汽車交通、航空航天、船舶風電等領域的業務發展、技術諮詢與支持工作。

王招，2016年畢業於上海理工大學機械工程本科卓越班，曾獲上海市機械創新項目三等獎。2015年7月進入上海波客實業有限公司，一直從事於汽車碳纖維複合材料設計應用研究，曾在SAMPE發表汽車車門和引擎罩應用複合材料的相關論文，並在2018 SAMPE會議就基於Fibersim設計碳纖維引擎罩為主題做會場報告。至今為止，在上海波客實業有限公司的組織下，擔任上海、北京、廣州、武漢等地7場Fibersim技術培訓的主講師。

推薦序一
先進的複合材料作為《中國製造2025》的十大重點發展領域之一，在民用飛機、軍用飛機、船舶、汽車和風電等行業逐步廣泛應用。但由於復合材料設計與製造的高度複雜性，很多企業未能完全發揮複合材料的巨大性能優勢，對企業的生存與發展帶來較大挑戰。全球很多成功的企業都在採用Siemens Industry Software解決方案來實現創新和增長。在當今的數字化世界中，企業面臨著來自現有競爭者和新進入市場的競爭者所帶來的衝擊。為了保持市場競爭力，企業必須通過數字化對傳統複合材料研製實施轉型。
在過去的30年裡，全球主要的航空、汽車等製造公司都在採用Fibersim軟件進行他們的複合材料產品設計、工藝規劃和數字化加工製造。如波音公司，他們利用Fibersim的技術，使最新的787客機的複合材料零件佔比達到了全機的51%，讓新設計的飛機在航油經濟性方面獲得了極大的提升，替波音公司贏得了巨大的市場優勢。
Fibersim是集複合材料設計、分析、製造於一體的完整流程的專業解決方案，通過基於模型的設計與製造方式創建數字化雙胞胎，然後通過數字化主線將詳細的數字信息與整個組織的人員相互關聯，幫助建立復合材料數字化企業，激發數字化潛能。
作為業內第一本複合材料軟件應用的中文書籍，打破了廣大技術人員沒有自學工具書的窘境，我們相信，隨著這本複合材料專業書籍的出版，必將幫助廣大專業人員提陞技術技能，推動中國複合材料技術在教育、航空航天、汽車交通、能源電力等製造業的全面深入應用，幫助中國的智能製造在復合材料領域儘早落地。
梁乃明
全球高級副總裁兼大中華區董事總經理
Siemens Industry Software
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推薦序二
碳纖維複合材料以其比強度、比模量高，耐腐蝕、抗疲勞等優點，在工業界得到越來越多的應用，波音787複合材料機體和寶馬i3複合材料車身更是開創了複合材料航空和汽車領域應用的新時代。在國內，隨著碳纖維產業化和大型複雜複合材料結構件製備的成功，碳纖維複合材料在航空航天、汽車、軌道交通、風電等行業的應用方興未艾，成為最具潛力的下一代輕量化材料。
複合材料的性能是由工藝過程決定的，結構又是通過不同的鋪層設計得到的，因此復合材料結構件的性能是由材料、設計、工藝決定的，這在提高其可設計性的同時，也大大增加了產品開發的難度和工作量。國際上公認複合材料結構的設計難度和工作量是金屬結構的3～4倍。傳統的逆向設計方法（測繪仿製或等代設計），無法做出好的複合材料產品，只有採用正向研發流程，遵循從頂層設計到部件分解再到整機集成的過程，將最適合的材料、設計和工藝一體化考慮，才能做出好的複合材料產品。
複合材料產品正向研發離不開數字化技術。西門子Fibersim軟件是業界歷史最悠久、技術最先進、應用最廣泛的複合材料設計和工藝軟件，在國外航空航天和汽車行業得到廣泛應用，是複合材料產品數字化設計的利器，幫助用戶在計算機上建立可視化的精細設計模型並評估其工藝性。Fibersim已在中國商飛、中航工業、中國航天、中車集團等多個院所的複材部件，上汽、長安、北汽等車企的碳纖維零部件的設計和工藝流程中得到應用。
波客公司專注於提供複合材料在各行業的設計諮詢、新品開發和軟件解決方案。自2015年推出碳纖維複合材料產品正向研發技術和服務以來，波客公司已累計幫助客戶完成幾十個複合材料產品研發項目，率先建立了成熟的複合材料產品方案—材料—設計—分析—優化—工藝—樣件—試驗一體化技術體系和服務能力。有感於希望系統學習Fibersim、深入使用Fibersim的工程師越來越多，也為了幫助應用單位實現專業化、規範化的Fibersim設計和工藝流程，在西門子工業軟件公司Fibersim專家呂長和Paul Mouland的支持下，我們組織王招、塗尚平、錢攀、范偉、趙小斌、楊遠登、劉剛等十幾位波客工程師，共同編寫了《Fibersim複合材料設計與工藝技術應用》一書，以滿足廣大復合材料應用工程師的需求，並幫助高校學子更快掌握Fibersim軟件應用。
無論您是複合材料行業的新兵，還是從業多年的專家，Fibersim的數字化設計技術和設計工藝一體化流程，都能幫助您正向研發性能更好、材料更省、週期更短、工藝可行、質量可控的複合材料產品。西門子工業軟件公司“決不讓客戶失敗”的理念，波客公司“超越客戶期望”的服務，也將共助您在技術成長和職場發展中更上一層樓！
洪清泉
上海波客實業有限公司總經理
2019年1月於上海
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前言
複合材料的性能是由工藝過程決定的，結構又是通過不同的鋪層設計得到的，因此復合材料結構件的性能是由材料、設計、工藝決定的，這在提高其可設計性的同時，也大大增加了產品開發的難度和工作量。國際上公認複合材料結構的設計難度和工作量是金屬結構的3～4倍。傳統的逆向設計方法（測繪仿製或等代設計），無法做出好的複合材料產品，只有採用正向研發流程，遵循從頂層設計到部件分解再到整機集成的過程，將最適合的材料、設計和工藝一體化考慮，才能做出好的複合材料產品。
複合材料產品正向研發離不開數字化技術。西門子Fibersim軟件是業界歷史最悠久、技術最先進，應用最廣泛的複合材料設計和工藝軟件，在國外航空航天和汽車行業得到廣泛應用，是複合材料產品數字化設計的利器，幫助用戶在計算機上建立可視化的精細設計模型並評估其工藝性。Fibersim已在中國商飛、中航工業、中國航天、中車集團等的多個院所的複材部件，上汽、長安、北汽等車企的碳纖維零部件的設計和工藝流程中得到應用。
本書根據西門子Fibersim軟件的英文版官方教材和用戶指南最新大綱進行編寫，重點介紹了Fibersim 15.0的新功能及各種基本操作方法和技巧。其最大的特點是，在大量利用圖解方法進行知識點講解的同時，巧妙地融入了航空、汽車等多個領域的複合材料工程應用案例，使讀者能夠在復合材料工程實踐中掌握Fibersim的操作方法和技巧。
本書分為7章，每章的內容簡介如下。
第1章Fibersim簡介：主要對Firbersim軟件的特點和界面進行了介紹。
第2章Pro（專業模塊）：主要介紹了Firbersim基於實體創建幾何要素、基於鋪層設計理論、影響鋪層鋪覆性的因素、鋪覆方法論對鋪覆性的影響、優化鋪覆性問題的措施、坐標系類型、夾芯類型、實用輔助工具、多鋪層設計理論。第3章Elite（高級模塊）：主要介紹了Firbersim基於區域設計理論、過渡區高級處理、設計鋪層高級定義、高級設計技術、製造數據高級定義。
第4章3D和2D數據：主要介紹了Firbersim的3D數據文檔創建、2D數據文檔創建。
第5章Fibersim其餘模塊簡介：主要介紹了Firbersim的體積填充設計理論、自動鋪覆設計理論。
第6章導入/導出：主要介紹了Firbersim的導入接口、導出接口。
第7章應用案例：主要是應用案例的講解，內容涉及了民品、汽車、地鐵、無人機以及民用客機等方面。在西門子工業軟件公司Fibersim專家呂長和Paul Mouland的支持下，由波客公司洪清泉總經理組織王招、塗尚平、錢攀、范偉、趙小斌、楊遠登、劉剛等十幾位工程師，共同編寫了本書，以滿足廣大復合材料應用工程師的需求，並幫助高校學子更快掌握Fibersim軟件應用。
在本書的寫作過程中，編輯賈小紅女士和柴東先生給予了很大的幫助和支持，提出了很多中肯的建議，在此表示感謝。同時，還要感謝清華大學出版社的所有編審人員為本書的出版所付出的辛勤勞動。本書的成功出版是大家共同努力的結果，謝謝所有給予支持和幫助的人們。
編者

第1章Fibersim簡介 1

1.1 概述.2

1.1.1 Fibersim專業性 2

1.1.2 Fibersim獨特性 3

1.1.3 Fibersim平台性 3

1.2 界面簡介.8

1.2.1 Fibersim的模塊列表 8

1.2.2 關於Fibersim的圖標 8

1.2.3 如何啟動Fibersim 8

1.2.4 用戶界面 9

1.2.5 排序、添加、移除和移動“列” 10

1.2.6 排序、分組和查找工具11

1.2.7 激活層壓板12

1.2.8 在Fibersim中的高亮環境12

1.2.9 選項12

1.2.10 設計檢查器13

1.2.11 操作：鋪層信息表的HTML和CSV格式. 13

1.2.12 創建材料卡片14

第2章Pro（專業模塊）. 17

2.1 基於實體創建基本幾何要素.18

2.1.1 創建層壓板的幾何要素18

2.1.2 創建坐標系的幾何要素20

2.2 Fibersim 基於鋪層設計.21

2.2.1 基於零件創建8層整層鋪層21

2.2.2 添加加強層、鋪層排序、開孔24

2.2.3 創建投放平面和生成平面展開圖27

2.2.4 面向製造設計29

2.2.5 創建纏繞層31

2.3 探索影響鋪覆可行性的因素.32

2.3.1 鋪層原點32

2.3.2 鋪層角度33

2.3.3 鋪層拼接33

2.3.4 鋪層優化35

2.3.5 線型剪口36

2.3.6 V型剪口.36

2.4 探索仿真選項對鋪覆可行性的影響.39

2.4.1 仿真鋪覆面40

2.4.2 Cutout與Hole的區別40

2.5 優化解決鋪覆性問題.41

2.5.1 調整鋪層的鋪覆理論41

2.5.2 第一鋪覆區域42

2.5.3 應用剪口優化鋪覆性42

2.6 坐標系類型簡介.42

2.6.1 平移坐標系43

2.6.2 放射狀坐標系47

2.6.3 基於脊柱坐標系49

2.7 層壓闆對稱.51

2.7.1 幾何要素對稱51

2.7.2 對稱層壓板創建52

2.7.3 對稱坐標系創建52

2.7.4 生成對稱組件對象53

2.8 夾芯類型.54

2.8.1 虛擬台階夾芯54

2.8.2 虛擬變值夾芯55

2.8.3 虛擬夾芯56

2.8.4 實體夾芯58

2.9 Fibersim 多鋪層設計.61

2.9.1 基礎的多鋪層設計61

2.9.2 過渡區基礎處理64

2.9.3 設計鋪層基礎定義68

2.9.4 參數偏置曲面72

2.9.5 製造數據基礎定義74

第3章Elite（高級模塊） 81

3.1 Fibersim 基於區域設計.82

3.1.1 基於區域的鋪層設計82

3.1.2 基於網格的鋪層設計89

3.1.3 多鋪層與基於區域的聯合設計93

3.2 過渡區高級處理.96

3.2.1 基礎偏移規範操作96

3.2.2 高級偏移規範操作99

3.3 設計鋪層高級定義. 111

3.3.1 結合材料規范進行層序排列111

3.3.2 鋪層的丟層秩序排列設計114

3.4 高級設計技術. 118

3.4.1 迴轉區的處理118

3.4.2 過渡區分割器122

3.4.3 拐角的高級處理125

3.4.4 參數偏置曲面高級處理129

3.5 製造數據高級定義.133

3.5.1 合併模型設計133

3.5.2 含回彈選項的製造層壓板設計138

第4章3D和2D數據. 141

4.1 3D 數據文檔創建.142

4.1.1 3D 橫截面142

4.1.2 3D 取樣註釋144

4.1.3 3D 鋪層信息表145

4.1.4 3D 鋪層編號145

4.1.5 3D 材料信息表145

4.2 2D 數據文檔創建.145

4.2.1 佈局鋪層展開圖146

4.2.2 創建2D鋪層工程圖. 147

4.2.3 創建2D鋪層信息表. 149

第5章Fibersim其餘模塊簡介. 151

5.1 Volume Fill（體積填充） 152

5.1.1 創建體積填充對象152

5.1.2 生成Layer和Layer曲面154

5.2 ADD（自動鋪覆設計） 155

5.2.1 簡介155

5.2.2 擴展斜面155

5.2.3 最小擴展路徑156

5.2.4 最小擴展路徑工具157

5.2.5 最小路徑節點158

5.2.6 最小路徑節點工具159

5.2.7 交錯原點160

第6章導入/導出161

6.1 簡介.162

6.2 導入選項.162

6.2.1 分析-鋪層. 162

6.2.2 分析-區域. 167

6.2.3 Fibersim端CAE數據處理168

6.2.4 激光投影170

6.2.5 纖維鋪放171

6.2.6 初始設計接口（導入） 173

6.2.7 從Excel導入鋪層. 174

6.2.8 复材零件XML 導入. 174

6.2.9 風力葉片設計導入175

6.2.10 复材零件Step 176

6.3 導出選項.176

6.3.1 分析-鋪層. 176

6.3.2 分析-區域. 178

6.3.3 分析-夾芯取樣. 180

6.3.4 CAE端Fibersim數據處理180

6.3.5 平面展開圖導出183

6.3.6 激光投影188

6.3.7 纖維鋪放接口191

6.3.8 自動鋪絲接口194

6.3.9 初始設計接口（導出） 196

6.3.10 鋪層導出至XML . 196

6.3.11 复材零件XML . 197

6.3.12 复材零件Step . 198

第7章應用案例. 199

7.1 民品—支臂.200

7.1.1 本案例技術要點200

7.1.2 支臂基於Fibersim建模步驟200

7.2 汽車.203

7.2.1 概述203

7.2.2 B柱加強板203

7.2.3 汽車翼子板209

7.2.4 汽車前機蓋212

7.2.5 汽車車門216

7.3 地鐵—車頭.220

7.3.1 本案例技術要點220

7.3.2 車頭蒙皮基於Fibersim建模步驟220

7.3.3 總結222

7.4 無人機—機身筒段.223

7.4.1 本案例技術要點223

7.4.2 結構尺寸及鋪層定義224

7.4.3 基於CATIA和Fibersim建模步驟225

7.4.4 結論229

7.5 民用客機.230

7.5.1 蒙皮壁板230

7.5.2 艙門蒙皮及縱梁236

7.5.3 發動機短艙風扇罩244

7.5.4 發動機風扇葉片252

附錄A 257