摘要
针对民用飞机复合材料许用值试验开展中需要设计大量构型类似而繁杂的试验夹具，为提高夹具设计的效率和准确性、促进设计的标准化，本文总结了ASTM标准中复合材料旁路挤压试验的压缩试验夹具构型设计和制造等相关信息，采用包含基于模型的定义（Model Based Definition， MBD）信息的CATIA二次开发方法，提出了一个复合材料旁路挤压试验夹具参数化设计方法，实现了含设计制造信息的试验夹具装配体模型的快速准确建立。结果表明：含设计制造信息的试验夹具装配体设计的关键尺寸链参数为试验件孔径D和试验件宽度W。采用本文方法参数化设计的试验夹具符合ASTM关于复合材料许用值试验标准规定的夹具设计准确性和标准化的要求并缩短了设计周期。
先进复合材料由于具备高的比模量和比强度、耐腐蚀性能、抗疲劳性能好、设计和制造一体化成型等诸多优点，而被广泛应用于航空、航天、交通运输、能源和建筑等行业。复合材料在民机结构件上的应用比例不断上升，并已成为衡量民机先进性的重要指
不同于金属材料力学性能数据的获得，由于复合材料的非均匀性、各向异性以及材料参数的变异性，对复合材料的验证方法主要通过积木式试验（Building block approach）或称试验金字塔（Test pyramid）的方法进行的，一个典型的复合材料飞机结构积木式试验各级试验规划如
图1 典型的积木式试验验证组合
Fig.1 A typical combination of building block test
民用飞机复合材料结构的设计许用值是飞机设计人员进行复材材料结构设计需要考虑的重要依托数据，也是美国联邦航空管理局（FAA） AC20-107B咨询通报建议的复合材料结构积木式试验验证的重要组成部分，往往需要上千件的试样件级试验用于确定复合材料的设计许用值，是复合材料结构设计的基础，也是复合材料结构符合CCAR-25-R4 25.613条款的试验依
图2 积木式试验各级试验件数量规划
Fig.2 Quantity planning of building block test specimens at all levels
ASTM标准一般常被用作试验件级试验的通用标准，而在这些试样件级试验中，包含大量旁路挤压压缩试验，需要使用压缩防失稳夹具，以对试验件面外变形进行限制，来获得材料压缩性能。对试验夹具的设计和制造提出了更高的要求。ASTM D7248 D7248M-12（R 2017）标准规定了聚合物基复合材料旁路挤压试验方法。许用值试验中的压缩试验，必须使用压缩防失稳夹具，以对试验件面外变形进行限制。而许多试验件的整体外形相似，只存在尺寸上的差异。目前，常用的夹具设计方法是在CATIA等建模软件环境中对夹具的各个构件分别进行建模，最后将各夹具构件以装配体形式呈现形成完整的试验夹具。其中，装配体中各夹具构件和试验件的装配关系靠手动约束完成，尺寸、公差配合等信息则需要由三维模型转换到二维图纸后进行标记，进而交付制造。在试验件夹具的设计和制造过程中即使针对相似夹具结构也需要试验设计人员手工重复对夹具进行建模画图和制造，耗费大量精力，也容易造成细节上如公差或尺寸配合上的错误。
目前国外对于将CATIA二次开发手段应用于工程实践中的报道较少，国内在航空航天、汽车、水利等领域有学者进行了相关应用研究，张信淋
本文针对复合材料许用值旁路挤压试验夹具在设计建模过程中存在的典型结构重复性问题，基于CATIA二次开发技术开展MBD信息三维标注参数化设计研究，提出并建立一种复合材料许用值旁路挤压试验的夹具参数化设计程序，以减少设计人员进行重复繁杂的建模工作，提高设计准确性和制造效率和标准化程度。
一个有代表性的复合材料旁路挤压试验设计流程如
图3 复合材料旁路挤压试验设计流程
Fig.3 Design process of composite materials bypass interaction test
ASTM D7248标准中规定了复合材料50%旁路挤压耦合方法B（试验项目代码BP50，如
(a) 夹具组合形式
(b) 试验件连接形式
图4 支持夹具组合件（BP50）
Fig.4 Supporting fixture assembly (BP50)
(a) 夹具组合形式
(b) 试验件连接形式
图5 支持夹具组合件（BP75）
Fig.5 Supporting fixture assembly (BP75)
基于模型定义（Model Based Definition，MBD）技术，是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进的数字化定义方
MBD技术是在三维数字化模型的基础上，通过集成的三维实体模型来表达产品的完整定义信息，从而消除或者减少二维图纸的使用，将原来定义在二维图纸上的几何形状信息、尺寸与公差以及工艺信息等产品信息共同定义到产品模型中，并详细规定了三维数模中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方
图6 MBD数据集所包含内容
Fig.6 Information involved in MBD dataset
CATIA的二次开发可以使建模软件的功能更符合设计人员使用的便捷性、高效率，同时便于标准化的开展。CATIA软件接口允许支持COM组件或程序进行访问操作，并通过进程内应用程序（In-process Application）方式和进程外应用程序（Out-Process Application）两种方式与外部程序通信。CATIA提供了自动化应用接口（Automation API）支持采用VBScript脚本对CATIA进行二次开发，并允许开发者应用Visual Basic设计直观的用户界面。CATIA通过输入的参数驱动代码运行并进行建模。一个基于Visual Basic语言的完整的CATIA二次开发技术流程如
图7 基于VB的CATIA二次开发技术流程
Fig.7 VB based CATIA secondary development
在CATIA运行环境下可以采用宏（Macro）录制的方式生成VBScript脚本，通过对结构相关几何参数的修改，可以生成相应的程序代码。但运行宏时，CATIA就处于禁用状态，因此不能通过宏调用存储的变量值，导致这种方式具有局限性，但却为定制开发小型化的程序提供了便利。本文对试验夹具每个零件进行CATIA二次开发参数化建模，最后将生成的各个零件模型组装成装配体。装配约束主要通过CATIA中CreateReference函数建立参考基准，继而采用AddBiEltCst（创建两个元素间约束）和AddTriEltCst（创建三个元素间约束）等函数进行装配约束。
通过对CATIA软件功能标注对象（Functional Annotations Objects）模块进行二次开发可以实现试验夹具MBD信息的三维标注。CATIA功能标注对象的构成如
图8 CATIA功能标注对象
Fig.8 Functional annotation objects of CATIA
采用条件语句和循环语句选择需要进行三维标注的边线或特征，实现不同的三维标注功能的语句如下：
For i = 1 To oSel.Count
Set oEdge1 = oSel.Item（i）.Value
If i = 3 Then
Set annotationSets1 = part1.AnnotationSets
Set annotationSet1 = annotationSets1.Add（"ISO_3D"）
Set userSurfaces1 = part1.UserSurfaces
Set userSurface1 = userSurfaces1.Generate（oEdge1）
Dim bSTR1
bSTR1 = part1.Name
Set annotationFactory1 = annotationSet1.AnnotationFactory
Set annotation1 = annotationFactory1.CreateSemanticDimension（userSurface1， 1， 0）
End If
长夹具的三维标注的效果如
图9 长夹具三维标注效果
Fig.9 3D annotation effect of long fixture
主要针对50%和75%旁路挤压试验夹具进行程序开发设计，整个程序的架构如
图10 旁路挤压试验夹具参数化设计程序架构
Fig.10 Parametric design program framework of bypass interaction test fixture
主设计模块下包含BP75和BP50试验夹具主要参数定义模块，主要参数包括试验件的圆孔直径（D），试验件的宽（W）与直径（D）的比值a，复合材料的长度（L），长夹具和短夹具的侧方长度（n）。其中，试验件孔径D和试验件宽度W为关键尺寸基准，定义各零部件的尺寸和各零部件间的位置关系。
（a） 夹具零件设计
(b) 试验件参数输入
（c） 夹具支撑片设计
(d) 夹具支撑板设计
（e） 长夹板设计
(f) 短夹板设计
（g） 夹具整体装配
图11 程序各个模块
Fig.11 All modules of the program
整个夹具设计程序通过参数输入，由试验件设计开始，进而对整套夹具的各个组成零件展开设计，自动在CATIA中进行建模，最后形成装配体模型并以二维图纸格式和三维模型中性数据STEP格式进行输出。
采用本文方法和开发的程序对BP50试验中某种试验件夹具进行建模。紧固件直径D设为6.35 mm，W/D设为6，L=50 mm，c=4 mm，r=2 mm，m=15 mm，得到如
图12 试验夹具装配设计和程序输出物
Fig.12 Test fixture assembly design and output of the program
针对复合材料旁路挤压试验压缩夹具设计，研究并提出了一种基于CATIA二次开发技术包涵MBD数据集的试验夹具信息表达方法，开发了含三维标注的试验夹具快速参数化建模程序，通过对比分析和讨论得出以下结论：
（1）确定试验夹具的关键尺寸参数为试验件孔径D和试验件宽度W，试验夹具基本构型和MBD数据集信息全部尺寸链信息均基于此，可实现整个夹具信息链的完整闭环；
（2）采用本文提出的方法设计效率大幅提升的同时，符合ASTM D7248 D7248M—12标准的规定，设计准确率和夹具标准化合规率均较现有方法提高5%~10%。
参考文献
孙振起，吴安如.先进复合材料在飞机结构中的应用［J］.材料导报，2015，29（11）：61-64，69. [百度学术]
SUN Zhenqi，WU Anru.Application of advanced composite in aircraft structures［J］.Materials Review，2015，29（11）：61-64，69. [百度学术]
冯振宇，邹田春，郝鹏，等.复合材料飞机结构材料和设计许用值的确定方法［J］.宇航材料工艺，2011，41（5）：15-17，39. [百度学术]
FENG Zhenyu，ZOU Tianchun，HAO Peng，et al. Determination methods for material and design allowables of composite aircraft structure［J］.Aerospace Materials & Technology，2011，41（5）：15-17，39. [百度学术]
王春寿，张冠彪，刘衰财.复合材料许用值试验件制造过程质量控制与检验［J］.航空制造技术，2018，61（8）： 92-96. [百度学术]
WANG Chunshou，ZHANG Guanbiao，LIU Shuaicai. Manufacturing process quality control and inspection of composites allowable value specimens［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2018，61（8）：92-96. [百度学术]
张信淋，郝博，刘滕.基于CATIA二次开发的快速建模技术［J］.成组技术与生产现代化，2015，32（3）：15-18. [百度学术]
ZHANG Xinlin，HAO Bo，LIU Teng.CATIA secondary development based on rapid prototyping technology［J］.Group Technology & Production Modernization.2015，32（3）：15-18. [百度学术]
楼涛，包腾飞.基于3DEXPERIENCE平台的CATIA二次开发下的拱坝结构快速建模［J］.水利水运工程学报，2020（1）：98-104. [百度学术]
LOU Tao， BAO Tengfei.Rapid modeling of arch dam structure under CATIA secondary development based on 3DEXPERIENCE platform［J］.Hydro-Science and Engineering. 2020（1）：98-104. [百度学术]
张溥海.基于CATIA二次开发的组合夹具设计研究［D］.合肥工业大学，2017. [百度学术]
ZHANG Bohai.Research and development of modular fixture design system for experimental teaching based on secondary development of catia［D］.Hefei Polytechnic University，2017. [百度学术]
范玉青.基于模型定义技术及其实施［J］.航空制造技术，2012，402（6）：42-47. [百度学术]
FAN Yuqing.Model based definition technology and its practices［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2012，402（6）：42-47. [百度学术]
