作者：李国树
关键字：玻璃钢，计算机辅助设计
来源：期刊
发表时间：2009
简介：

一、前言

    计算机辅助设计（CAD）技术在近几十年来迅速发展，它的应用程度和发展水平已成为衡量一个企业工业现代化水平的重要标志。玻璃钢/复合材料的最大优点在于可设计性强，可以满足多种工况下的应用，在航空航天、汽车、船舶、化工等领域的应用已越来越广泛。。但复合材料铺层结构设计较为复杂，性能离散性大，工艺质量不够稳定，这些问题使复合材料的进一步推广应用遇到了阻碍。为解决上述问题，多种玻璃钢专用CAD设计软件被开发并运用于复合材料的设计和制造中。

二、CAD的概念及发展

    CAD就是计算机辅助设计(CAD——Computer Aided Design)。1972年10月，国际信息处理联合会(IFIP)在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。也就是说CAD是指工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。

    CAD的功能可归纳为四大类：数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。一个完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。

    CAD系统从诞生至今，经历了三个发展阶段：

    第一阶段：CAD专用系统。早期的CAD技术主要是指电子绘图技术，在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指ComputerAidedDrawing(orDrafting)而非现在我们经常讨论的CAD(ComputerAidedDesign)所包含的全部内容。

    第二阶段：CAD通用系统。这类系统通常提供一组相对完备的CAD功能，并以成套系统（turn key system）的方式交给用户，能解决用户大多数问题，但对于用户特殊的专业需求将无能为力。

    第三阶段：CAD支撑系统。支撑系统支持用户自定义应用系统以及各应用系统的集成，功能具有扩展性，能适应用户变化的需求。随着CAD技术的发展和人们需求的不断提高，人工智能和专家系统技术也逐渐融入到CAD系统中，这样就形成了智能CAD(AICAD)。智能CAD的使用可大大提高设计的自动化水平，特别是可对产品进行总体方案设计，实现对产品设计全过程的支持。基于多台计算机通过网络互相连接的CAD系统，称为网络CAD系统。网络CAD可以充分利用信息资源，发挥更大的效能。CAD技术在不断发展，正在向标准化、可视化(包括虚拟设计)、智能化、集成化和网络化方向发展。

    CAD系统以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至社会的各个方面。使传统的产品技术、工程技术发生深刻的变革。CAD系统已经成为设计人员从事产品设计、分析的工具。CAD技术的使用，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化，使设计人员从繁琐的的绘图中解放出来，集中精力进行创造性的劳动，设计工作。

三、CAD在玻璃钢行业中的应用情况及发展趋势

3．1 CAD在玻璃钢行业中的应用情况

    复合材料层合板的设计过程存在着同传统金属结构设计不同的阶段。例如，复合材料的结构设计有许多种可能的材料组合，而且，材料的各向异性力学行为在设计阶段是能通过选择特定的纤维方向和叠层次序就确定了的。虽然有限元程序能够用来对复合材料进行分析，但是却不能够涵盖所有涉及复合材料具体设计和分析方面。因此，还需要专业化的复合材料设计工具来对复合材料进行设计。以美国波音公司777机的研制为例：采用新技术是研制周期缩短50%，出错返工率减少75%，成本降低25%。

    CAD在国外玻璃钢/复合材料中的应用较早，主要起源于航空、航天领域，现在已有许多专业的玻璃钢CAD研发单位，而且正在向着设计制造一体化（CAD+CAM）的方向努力，下面简单介绍一下有关软件。

    ESAComp软件是专业的复合材料设计分析软件系统 , 最初由欧洲航天局 (ESA) 发起 , 并由芬兰赫儿辛基大学轻型结构材料实验室开发完成。其目标为开发成一种可以在统一界面下包含所有复合材料分析和设计能力的软件工具。ESAComp 具有基于微观力学分析的广泛的实体 / 夹层板分析、设计能力，而且它包含了针对单层板、层压板、加筋板、梁和柱体，以及胶接和机械连接等等各种复合材料结构形式、连接形式的分析工具。具有同目前广泛使用的各种有限元软件包的交互接口，从而使 ESAComp 同设计过程实现了无缝结合。

    ESAComp 是专业的复合材料设计分析工具，具有友好的图形化用户界面，多重分析和图形化结果显示，多级别的专业数据库， 同目前广泛使用的各种有限元软件包的衔接能力，支持用户定制的扩展功能。虽然该软件起源于航空、航天领域，但是已经被开发成适用于复合材料研发人员的通用工具。

    VISTAGY公司开发的FiberSIM是专门用于复合材料构件设计和制造的工具。在三维模拟环境中，工程师可以使用此软件建立复合材料部件完整的数字产品定义。FiberSIM支持整个产品开发过程，还有多种材料的灵活设计方法和制造方法。该软件可以模拟复合材料在复杂曲面上的变形，产生制造信息，这些信息包括文档、平展模型和驱动下游生产设备所需要的数据。它支持包括手糊、模塑、预浸带铺覆及纤维铺放等技术在内的大多数复合材料生产工艺。 VISTAGY软件被广泛应用在航空、汽车、船舶、医疗、体育用品和交通内饰件行业。

    Anaglyph公司 开发的复合材料软件产品：Laminate Tools、CoDA和LAP。 Laminate Tools集复合材料结构设计、分析和制造功能于一体。CoDA可辅助面板、梁、接头、法兰和层合板的初步工程设计。LAP软件的功能是对复合材料层合板进行深入的分析和设计。

    Laminate Tools可以用CAD系统提供的信息定义表面，然后模拟材料的铺敷。它可以用有限元分析（FEA）软件的前处理器（目前支持Nastran或Ansys的有限元系统）来输入有限元网格，然后用复合材料织物铺敷所有表面，直至得到整个结构的铺层。它可以将铺层信息转化为适于有限元分析的层合材料性能，也可以在有限元分析中调用铺层信息。它还可以采用复合材料的特有方式对有限元分析结果进行后处理，如检查各个层合板的功能，然后，软件将这些铺层信息用于制造过程——输出平整的铺层模型用来铺叠和剪切，或者在制造过程中，将铺层轮廓投影（用激光设备）在模具表面。

    ESI集团的复合材料软件产品：SYSPLY、PAM-RTM和PAM-FORM。SYSPLY是一款模拟工具，用于设计多种铺层形式构成的复合材料结构。PAM-RTM则用于模拟树脂注射纤维增强材料的制造工艺，即树脂传递模塑（RTM）。PAM-FORM是一款模拟塑料和复合材料热成型的软件。
 
    Galorath公司的SEER-DFM是一款项目预算软件。该软件支持大部分复合材料制造工艺——手糊、缠绕成型、编织和其它方法，还支持不同的固化和注射方法——高压釜、树脂传递模塑（RTM）、真空辅助注射成型（VARIM）和其它，还有标准的金属加工工艺。该软件可以根据产品劳动力、加工和材料成本预算出项目总成本、平均成本和单位制造成本。在制造工艺水平上，它还可以确定工艺的主导因素、部件原始重量和成品重量、关键工艺参数和它们对总成本的影响，以及设置、运行、重新加工、检测、材料和加工的成本。包括空客和波音及其许多供应商在内的众多主要航空业制造商都在使用该款软件。

    Collier Research公司的HyperSizer  是一款复合材料结构应力分析和尺寸优化软件。“HyperSizer可以自动连接到FEA系统上，该软件可以解决金属材料和复合材料中复杂的机械应力/应变和热应力/张力问题，并可以对板、梁和接头进行详细的失效分析。
 
    e-Xstream engineering公司的DIGIMAT 是一款线性和非线性多尺度材料模拟软件。多尺度材料模拟包括在掌握材料微观结构的基础上理解和预测材料的宏观性能。DIGIMAT中场均化功能可以对非均质材料和/或各向异性材料（如复合材料）进行材料性能预测。 DIGIMAT和大部分的CAE软件（如Moldflow、3D-Sigma、Abaqus和Ansys）都有接口，通过考虑成品结构中工艺方法导致的材料微观结构，为多尺度材料和结构模拟提供了综合而有效的方法。 DIGIMAT输入材料的微观性能、微观结构和载荷等数据，而输出的复合材料性能则用于有限元分析或其它下游工艺。

    DIGIMAT最典型和常见的应用之一是在工程塑料领域，用来模拟玻璃纤维增强热塑性注射成型部件的线性和非线性材料性能。

3．2 玻璃钢CAD的发展趋势

玻璃钢CAD的发展趋势：

    （1）普遍采用了参数化设计、特征约束、尺寸驱动设计及产品数据管理等技术，加强了系统智能性和数据共享性。

    （2）集成化、开放式的CAD支撑平台代替了专用的CAD系统，包含用户接口、交互绘图、三维造型、工程数据管理和二次开发工具。

    （3）网络环境下CAD系统贯穿企业从计划、设计、工艺、生产、加工、检测、管理等各个环节，保证了资源共享和信息集成，推动了并行工程和无纸设计制造的发展。

    （4）统一建立整个产品生命周期的数据信息模型，实现产品信息交换的规范化和标准化。

    （5）网络和多媒体平台上的CAD系统成为国外研究的热点，虚拟制造技术正在不断发展。

四、国内玻璃钢CAD的现状及存在的问题

    我国的玻璃钢/复合材料行业起步较晚，1958年创业以来，早期主要用于国防及航空航天工业。设计技术主要来源于从国外引进。传统的设计方法的整个过程是基于手工设计完成的。随着计算机技术的发展，计算机逐步代替人脑承担起复杂的计算和分析，同时引进CAD等现代设计方法，帮助工程师们抛掉传统的手工方式，既方便设计，又能改善设计质量，缩短设计周期。

国内的玻璃钢计算机辅助设计（CAD）可以分为三个阶段：

第一阶段（ -1994年）图板时代
    国内基本没有自主研发的玻璃钢CAD系统，在航空航天领域主要是进口软件。玻璃钢产品的设计基本上还是采用手工图板绘图，结合计算器进行计算。

第二阶段（1995年-2002年）初级CAD时代

    正值我国的“九五”计划期间，甩图板工程使大多数企业，初步用上了CAD绘图系统，并且开始采用电子表格等工具进行半自动化的设计。同时随着计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度降低。CAD 技术的硬件平台成本的降低，使得很多中小型企业开始有能力配备计算机、打印机、扫描仪等设施，电子图板开始广泛应用。在大学、研究院所开始研发玻璃钢专用设计软件。

第三阶段（2003年至今）自主知识产权自动化CAD时代

    “十五”计划期间国家提出以信息化带动工业化，推进制造业信息化是我国经济建设的大政方针，软件产业也同时被列为国家新兴产业的发展重点。我国的玻璃钢CAD得到了快速发展，以石家庄开发区技源科技有限公司为代表的一些专业研发单位，开始了自主知识产权软件的研发并取得了很多成果。下面简要介绍一下技源公司开发的用于缠绕玻璃钢的设计软件（FRPCAD）。

    石家庄开发区技源科技有限公司开发的技源玻璃钢管道与容器设计软件是一款玻璃钢专用设计软件。2003年石家庄开发区技源科技有限公司推出了第一套国产商品化设计软件—玻璃钢管道CAD。2004年11月技源公司所开发的“技源玻璃钢管道与容器设计软件”获得河北省信息产业厅颁发的软件产品认证书。接着2005年至2008年技源公司相继开发了玻璃钢卧式容器、玻璃钢管路配件、玻璃钢现场大型容器以及玻璃钢顶管等设计软件，从而成为了完整的系列化缠绕设计软件。2008年9月在第十四届中国复合材料工业技术展览会上获得了优秀产品奖，同时这也是本届展会唯一的软件类优秀产品奖。

    FRP CAD系统是技源科技有限公司自主开发的通用性较强的玻璃钢产品计算机辅助设计软件。利用FRP  CAD 可以很方便快捷的进行玻璃钢容器与管道的设计,只要输入设计参数、商务参数、原材料及设备参数、控制参数，计算工作均由计算机完成，直至得到设计结果包括设计表、图纸、计算书、成本分析等文件。
软件的特点：

（1）操作界面简单
    只要简单懂得玻璃钢容器的设计过程，就可以很快上手，只需移动鼠标，输入要求的设计条件参数，马上便可以得到设计结果。而且界面指令全部为中文，不存在语言差异，更有详细的帮助文件，对窗口输入也有很多的提示。

（2）设计种类齐全
     利用FRP CAD可以设计各种形式的玻璃钢容器、管道，包括多种封头、封底形式的情况。

（3）丰富的后处理链接
    利用FRP CAD 系统可得到铺层设计表、管道图纸、成本分析以及结构校核计算书，其中铺层设计表、成本分析以及结构校核计算书为Excel格式，方便用户在设计结果的基础上作一些修改，而管道图纸为*.DXF图形转换格式的文件,即可在AutoCAD中打开，也可在其他多种能够读取DXF图形传输文件的CAD电子图版中打开。

（4）面向对象的特色
    由于目前玻璃钢生产厂的工艺各式各样，因此FRP CAD系统中留了大量的选择余地，如：许用应变，针对不同的用途，其取值范围很大；接缝工艺各不相同，既可选择接缝位置，又可选择接缝数量。总之该软件充分考虑了各种厂家的要求，应当说通用性很强。设计完成后，设计结果会以文件形式保存在指定目录下，如果再设计该类型容器时，用户可以再次打开进行修改。

（5）设计自动化程度高
    FRPCAD立式容器设计包括了法兰、人孔、液位计、地锚、支腿、吊耳、铭牌等常见配件的设计。省去了设计人员的大量工作，将设计人员从繁杂的劳动中解脱出来。

（6）耐腐蚀数据库
    由于不同的介质选材不同，造成用户选材困难，因此将不同树脂的腐蚀数据做成数据库，用户可以方便的进行查询，而且还可以增加、删除、修改等操作。

（7）铺层方式灵活多样
    为保证设计结果的正确性和合理性，用户既可以将铺层习惯输入基准铺层方法，也可以在计算机寻优的基础上加以修改，软件将随时给出设计结果，用户可以看到在任一种铺层情况下，容器的性能，包括厚度、许用应变以及当前应变。

    利用FRP CAD能够帮助玻璃钢企业更新设计流程、规范设计程序、简化设计步骤、快速应对市场、提供最好的技术服务、技术支持。对于玻璃钢企业的快速发展可以起到一定的推动作用。

4．2 国内玻璃钢CAD发展中存在的问题

1）管理理念亟待更新。
    很多企业领导还认识不到CAD技术的重要性以及我国CAD技术与世界先进水平的差距。多数企业采用的是低投入、低成本、低质量的路线，导致企业发展缓慢。

2）资金投入重硬件轻软件
    很多企业的决策者在CAD系统的投入中，偏重于硬件的投资，大多落实在计算机、打印机、绘图仪等看得见摸得着的硬件上，认为硬件的配置越高越好，把企业信息化建设搞成了形象工程，但对于软件的投资，却是认为不值得。殊不知硬件只是软件的平台，没有软件的硬件只能放在那里当摆设。
国外软硬件投资比例一般可以达到7：3（即70%的资金用于购买软件，30%用于硬件）而国内的实际情况往往是连3：7都达不到（即30%的资金用于购买软件，70%用于硬件）。

3）技术人员严重不足
    目前玻璃钢企业中普遍存在技术人员不足现象，很多企业中仅有一两名技术人员，所占比例不足5%。

4）创新观念不足
    在目前我国玻璃钢行业中还存在着创新观念明显不足的状况，沿袭传统设计的现象非常严重，这就造成了产品老化，缺乏市场竞争力。

5）理论与实践脱节
    研究机构、大学多是偏重于理论知识的学习与研究，工厂、企业技术人员缺乏，而且多是偏重生产，特别是关注成本和利润，这就造成了理论研究与生产的严重脱节。

4．3  解决的方法

    1）在激烈的市场竞争和巨大的内外环境压力下，企业若要达到预期的市场占有率和预期的经济效益，提高企业的应变能力和竞争能力，用最短的时间生产出市场适销对路的、质量好、价格低的产品，最大幅度地满足用户的需求，最有成效地提高自己的经济效益，成为企业生产经营的主目标。企业的竞争是对用户的竞争，谁拥有更多的用户，谁就占有更多的市场份额。怎样才能赢得客户？最关键的是要满足客户的需求--产品和服务，在制造环境相同的情况下，影响产品的主要因素是产品设计水平、产品的设计水平是与企业所采用的设计手段密不可分，如何提高设计手段呢？各国的实践证明采用高科技的手段——CAD。

    2）产学研合作创新是增强企业自主创新能力的重要条件。通过产学研合作创新，弥补企业科技人员短缺的不足和增强企业研究与发展能力，延伸企业技术创新链。及时掌握产业创新动态并占据产业创新的制高点，提升技术创新层次。

    3）转变观念，加大在CAD方面的投入。只有切实改变观念，加大投入，才能在CAD方面取得更大的进步，也才能真正发挥科技第一生产力的作用。

五、结束语

    玻璃钢/复合材料CAD已经得到复合材料行业的认可，并且是必需的。大大小小的公司都在开发和使用越来越多的复合材料专用软件，用于设计和制造。软件公司正致力于将复合材料理论研究和实践研究成果统一到他们的软件产品中去，以提高复合材料产品质量、缩短开发周期，制成更大、更复杂的结构。复合材料制造公司日益认识到，利用复合材料软件的优势是确保自身在不断发展的行业中保持竞争力所必需的。

    通过国内外玻璃钢CAD的对比，可以看到我们在技术水平上远远落后于西方发达国家，只有刻苦钻研，努力进取，才能迎头赶上，实现我国从制造大国向制造强国的转变。

参考文献：
1、李国树. 《推动玻璃钢企业信息化建设，尽快走向国际市场》，第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集。
2、赵渠森主编，《先进复合材料手册》，机械工业出版社
2、李国树.《论计算机辅助设计在FRP产品设计中的应用》, 第十五届玻璃钢/复合材料学术年会论文集
3、李国树.《纤维缠绕玻璃钢容器自动设计软件的研制》，第十五届玻璃钢/复合材料学术年会论文集