Fibersim复合材料设计与工艺技术应用

波音787客机使用的Fibersim技术，终于推出了首本中文教程！
由西门子和波客公司联合推出，组织了十几位一线复合材料工程师共同编写，打破了广大技术人员没有自学
工具书的窘境。

无论是复合材料行业的新兵，还是从业多年的专家，都适合阅读本书，帮助您正向研发性能更好、材料更省、
周期更短、工艺可行、质量可控的复合材料产品。

西门子Fibersim软件是业界历史*悠久、技术*、应用*广泛的复合材料设计和工艺软件，在国外航空
航天和汽车行业得到广泛应用，是复合材料产品数字化设计的利器，已在中国商飞、中航工业、中国航天、
中车集团等多个院所的复材部件，上汽、长安、北汽等车企的碳纤维零部件的设计和工艺流程中得到应用。
波客公司已累计帮助客户完成几十个复合材料产品研发项目，率先建立了成熟的复合材料产品方案—材料—设
计—分析—优化—工艺—样件—试验一体化技术体系和服务能力。

本书分为7章，每章的内容简介如下。
第1章 Fibersim简介：主要对Firbersim软件的特点和界面进行了介绍。
第2章 Pro（专业模块）：主要介绍了Firbersim基于实体创建几何要素、基于铺层设计理论、影响铺层铺覆
性的因素、铺覆方法论对铺覆性的影响、优化铺覆性问题的措施、坐标系类型、夹芯类型、实用辅助工具、
多铺层设计理论。
第3章 Elite（高级模块）：主要介绍了Firbersim基于区域设计理论、过渡区高级处理、设计铺层高级定义、
高级设计技术、制造数据高级定义。
第4章 3D和2D数据：主要介绍了Firbersim的3D数据文档创建、2D数据文档创建。
第5章 Fibersim其余模块简介：主要介绍了Firbersim的体积填充设计理论、自动铺覆设计理论。
第6章 导入/导出：主要介绍了 Firbersim的导入接口、导出接口。
第7章 应用案例：主要是应用案例的讲解，内容涉及了民品、汽车、地铁、无人机以及民用客机等方面。

《Fibersim复合材料设计与工艺技术应用》一书根据西门子Fibersim的英文版官方教材和用户指南*大纲编写，重点介 绍了Fibersim 15.0的新功能及各种基本操作方法和技巧。其*的特点是，在大量利用图解方法进行知识点讲解的同时，巧 妙地融入了航空、汽车等多个领域的复合材料工程应用案例，使读者能够在复合材料工程实践中掌握Fibersim的操作方法和 技巧。 本书分为7章，分别介绍了Fibersim 15.0的软件理念、基础界面、基于实体创建几何要素、基于铺层设计理论、影响铺层 铺覆性的因素、铺覆方法论对铺覆性的影响、优化铺覆性问题的措施、坐标系类型、层压板对称、夹芯类型、多铺层设计理 论、基于区域设计理论、过渡区高级处理、设计铺层高级定义、高级设计技术、制造数据高级定义、3D数据文档创建、2D 数据文档创建、体积填充设计理论、自动铺覆设计理论、导入接口、导出接口、导出选项、民品、汽车、地铁、无人机以及 航空的应用案例。 本书内容翔实，图文并茂，语言简洁，实例丰富，既可以作为初学者的入门与提高教材，也可作为复合材料产品研发工 程的辅导与自学教材。

洪清泉，上海波客实业有限公司创始人，总经理，北京理工大学车辆工程硕士，曾任上海飞机设计研究院结构设计工程师和Altair中国公司高级技术经理，主要研究方向为航空航天和车辆的仿真优化和轻量化设计，主编《HyperWorks进阶教程系列》三本书。2013年创立波客公司，带领团队参与中国商飞和中航工业的多个飞机型号、中国航天多个复材部段的研发和改进，特别是C919和CR929的碳纤维复合材料机翼机身研发，并研究和实践汽车碳纤维部件正向研发，为泛亚、上汽、北汽、广汽、前途、众泰等开发数十个碳纤维四门三盖及白车身加强件，目前也正在从事轨道交通碳纤维复合材料车体正向研发、Fiberbook复合材料结构优化设计软件研发。

吕长，西门子工业软件亚太区高级顾问，SES业务发展经理。上海交通大学毕业，加入西门子工业软件10年。
在工业软件领域有十余年的应用经验，目前负责西门子专业工程软件（包括Fibersim、Syncrofit、Mastertrim等）在汽车交通、航空航天、船舶风电等领域的业务发展、技术咨询与支持工作。

王招，2016年毕业于上海理工大学机械工程本科卓越班，曾获上海市机械创新项目三等奖。2015年7月进入上海波客实业有限公司，一直从事于汽车碳纤维复合材料设计应用研究，曾在SAMPE发表汽车车门和引擎罩应用复合材料的相关论文，并在2018 SAMPE会议就基于Fibersim设计碳纤维引擎罩为主题做会场报告。至今为止，在上海波客实业有限公司的组织下，担任上海、北京、广州、武汉等地7场Fibersim技术培训的主讲师。

第1章 Fibersim简介 1
1.1 概述.2
1.1.1 Fibersim专业性  2
1.1.2 Fibersim独特性 3
1.1.3 Fibersim平台性 3
1.2 界面简介.8
1.2.1 Fibersim的模块列表  8
1.2.2 关于Fibersim的图标 8
1.2.3 如何启动Fibersim 8
1.2.4 用户界面  9
1.2.5 排序、添加、移除和移动“列”  10
1.2.6 排序、分组和查找工具  11
1.2.7 激活层压板  12
1.2.8 在Fibersim中的高亮环境 12
1.2.9 选项  12
1.2.10 设计检查器  13
1.2.11 操作：铺层信息表的 HTML和 CSV格式 . 13
1.2.12 创建材料卡片  14
第2章 Pro（专业模块）. 17
2.1 基于实体创建基本几何要素.18
2.1.1 创建层压板的几何要素  18
2.1.2 创建坐标系的几何要素  20
2.2 Fibersim 基于铺层设计 .21
2.2.1 基于零件创建8层整层铺层  21
2.2.2 添加加强层、铺层排序、开孔  24
2.2.3 创建投放平面和生成平面展开图  27
2.2.4 面向制造设计  29
2.2.5 创建缠绕层  31
2.3 探索影响铺覆可行性的因素.32
2.3.1 铺层原点  32
2.3.2 铺层角度  33
2.3.3 铺层拼接  33
2.3.4 铺层优化  35
2.3.5 线型剪口  36
2.3.6 V型剪口 .36
2.4 探索仿真选项对铺覆可行性的影响.39
2.4.1 仿真铺覆面  40
2.4.2 Cutout与Hole的区别 40
2.5 优化解决铺覆性问题.41
2.5.1 调整铺层的铺覆理论  41
2.5.2 第一铺覆区域  42
2.5.3 应用剪口优化铺覆性  42
2.6 坐标系类型简介.42
2.6.1 平移坐标系  43
2.6.2 放射状坐标系  47
2.6.3 基于脊柱坐标系  49
2.7 层压板对称.51
2.7.1 几何要素对称  51
2.7.2　对称层压板创建  52
2.7.3　对称坐标系创建  52
2.7.4　生成对称组件对象  53
2.8 夹芯类型.54
2.8.1　虚拟台阶夹芯  54
2.8.2　虚拟变值夹芯  55
2.8.3　虚拟夹芯  56
2.8.4　实体夹芯  58
2.9 Fibersim 多铺层设计 .61
2.9.1 基础的多铺层设计  61
2.9.2　过渡区基础处理  64
2.9.3 设计铺层基础定义  68
2.9.4 参数偏置曲面  72
2.9.5 制造数据基础定义  74
第3章 Elite（高级模块） 81
3.1 Fibersim 基于区域设计 .82
3.1.1 基于区域的铺层设计  82
3.1.2 基于网格的铺层设计  89
3.1.3 多铺层与基于区域的联合设计  93
3.2 过渡区高级处理.96
3.2.1 基础偏移规范操作  96
3.2.2 高级偏移规范操作  99
3.3 设计铺层高级定义. 111
3.3.1 结合材料规范进行层序排列  111
3.3.2 铺层的丢层秩序排列设计  114
3.4 高级设计技术. 118
3.4.1 回转区的处理  118
3.4.2 过渡区分割器  122
3.4.3 拐角的高级处理  125
3.4.4 参数偏置曲面高级处理  129
3.5 制造数据高级定义.133
3.5.1 合并模型设计  133
3.5.2　含回弹选项的制造层压板设计  138
第4章 3D和2D数据. 141
4.1 3D 数据文档创建 .142
4.1.1　3D 横截面  142
4.1.2　3D 取样注释  144
4.1.3　3D 铺层信息表  145
4.1.4　3D 铺层编号  145
4.1.5　3D 材料信息表  145
4.2 2D 数据文档创建 .145
4.2.1　布局铺层展开图  146
4.2.2　创建2D铺层工程图 . 147
4.2.3　创建2D铺层信息表 . 149
第5章 Fibersim其余模块简介. 151
5.1 Volume Fill（体积填充） 152
5.1.1 创建体积填充对象  152
5.1.2 生成Layer和Layer曲面  154
5.2 ADD（自动铺覆设计） 155
5.2.1 简介  155
5.2.2 扩展斜面  155
5.2.3 最小扩展路径  156
5.2.4 最小扩展路径工具  157
5.2.5 最小路径节点  158
5.2.6 最小路径节点工具  159
5.2.7 交错原点  160
第6章 导入/导出 161
6.1 简介.162
6.2 导入选项.162
6.2.1 分析-铺层 . 162
6.2.2 分析-区域 . 167
6.2.3 Fibersim端CAE数据处理  168
6.2.4 激光投影  170
6.2.5 纤维铺放  171
6.2.6 初始设计接口（导入）  173
6.2.7 从Excel导入铺层 . 174
6.2.8 复材零件 XML 导入 . 174
6.2.9 风力叶片设计导入  175
6.2.10 复材零件 Step  176
6.3 导出选项.176
6.3.1 分析-铺层 . 176
6.3.2 分析-区域 . 178
6.3.3 分析-夹芯取样 . 180
6.3.4 CAE端Fibersim数据处理  180
6.3.5 平面展开图导出  183
6.3.6 激光投影  188
6.3.7 纤维铺放接口  191
6.3.8 自动铺丝接口  194
6.3.9 初始设计接口（导出）  196
6.3.10 铺层导出至XML . 196
6.3.11 复材零件XML . 197
6.3.12 复材零件Step . 198
第7章 应用案例. 199
7.1 民品—支臂 .200
7.1.1　本案例技术要点  200
7.1.2　支臂基于Fibersim建模步骤  200
7.2 汽车.203
7.2.1 概述  203
7.2.2　B柱加强板 203
7.2.3 汽车翼子板  209
7.2.4 汽车前机盖  212
7.2.5 汽车车门  216
7.3 地铁—车头 .220
7.3.1 本案例技术要点  220
7.3.2　车头蒙皮基于Fibersim建模步骤 220
7.3.3　总结  222
7.4 无人机—机身筒段 .223
7.4.1　本案例技术要点  223
7.4.2　结构尺寸及铺层定义  224
7.4.3　基于CATIA和Fibersim建模步骤  225
7.4.4 结论  229
7.5 民用客机.230
7.5.1 蒙皮壁板  230
7.5.2 舱门蒙皮及纵梁  236
7.5.3 发动机短舱风扇罩  244
7.5.4 发动机风扇叶片  252
附录A 257

推荐序一

先进的复合材料作为《中国制造2025》的十大重点发展领域之一，在民用飞机、军用飞机、船舶、汽车和风电等行业逐
步广泛应用。但由于复合材料设计与制造的高度复杂性，很多企业未能完全发挥复合材料的巨大性能优势，对企业的生存与
发展带来较大挑战。全球很多成功的企业都在采用Siemens Industry Software解决方案来实现创新和增长。在当今的数字化世
界中，企业面临着来自现有竞争者和新进入市场的竞争者所带来的冲击。为了保持市场竞争力，企业必须通过数字化对传统
复合材料研制实施转型。
在过去的30年里，全球主要的航空、汽车等制造公司都在采用Fibersim软件进行他们的复合材料产品设计、工艺规划和
数字化加工制造。如波音公司，他们利用Fibersim的技术，使最新的787客机的复合材料零件占比达到了全机的51%，让新设
计的飞机在航油经济性方面获得了极大的提升，替波音公司赢得了巨大的市场优势。
Fibersim是集复合材料设计、分析、制造于一体的完整流程的专业解决方案，通过基于模型的设计与制造方式创建数字
化双胞胎，然后通过数字化主线将详细的数字信息与整个组织的人员相互关联，帮助建立复合材料数字化企业，激发数字化
潜能。
作为业内第一本复合材料软件应用的中文书籍，打破了广大技术人员没有自学工具书的窘境，我们相信，随着这本复合
材料专业书籍的出版，必将帮助广大专业人员提升技术技能，推动中国复合材料技术在教育、航空航天、汽车交通、能源电
力等制造业的全面深入应用，帮助中国的智能制造在复合材料领域尽早落地。
梁乃明
全球高级副总裁兼大中华区董事总经理
Siemens Industry Software
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推荐序二

碳纤维复合材料以其比强度、比模量高，耐腐蚀、抗疲劳等优点，在工业界得到越来越多的应用，波音787复合材料机
体和宝马i3复合材料车身更是开创了复合材料航空和汽车领域应用的新时代。在国内，随着碳纤维产业化和大型复杂复合材
料结构件制备的成功，碳纤维复合材料在航空航天、汽车、轨道交通、风电等行业的应用方兴未艾，成为最具潜力的下一代
轻量化材料。
复合材料的性能是由工艺过程决定的，结构又是通过不同的铺层设计得到的，因此复合材料结构件的性能是由材料、设
计、工艺决定的，这在提高其可设计性的同时，也大大增加了产品开发的难度和工作量。国际上公认复合材料结构的设计难
度和工作量是金属结构的3～4倍。传统的逆向设计方法（测绘仿制或等代设计），无法做出好的复合材料产品，只有采用正
向研发流程，遵循从顶层设计到部件分解再到整机集成的过程，将最适合的材料、设计和工艺一体化考虑，才能做出好的复
合材料产品。
复合材料产品正向研发离不开数字化技术。西门子Fibersim软件是业界历史最悠久、技术最先进、应用最广泛的复合材
料设计和工艺软件，在国外航空航天和汽车行业得到广泛应用，是复合材料产品数字化设计的利器，帮助用户在计算机上
建立可视化的精细设计模型并评估其工艺性。Fibersim已在中国商飞、中航工业、中国航天、中车集团等多个院所的复材部
件，上汽、长安、北汽等车企的碳纤维零部件的设计和工艺流程中得到应用。
波客公司专注于提供复合材料在各行业的设计咨询、新品开发和软件解决方案。自2015年推出碳纤维复合材料产品正向
研发技术和服务以来，波客公司已累计帮助客户完成几十个复合材料产品研发项目，率先建立了成熟的复合材料产品方案—
材料—设计—分析—优化—工艺—样件—试验一体化技术体系和服务能力。有感于希望系统学习Fibersim、深入使用Fibersim
的工程师越来越多，也为了帮助应用单位实现专业化、规范化的Fibersim设计和工艺流程，在西门子工业软件公司Fibersim专
家吕长和Paul Mouland的支持下，我们组织王招、涂尚平、钱攀、范伟、赵小斌、杨远登、刘刚等十几位波客工程师，共同
编写了《Fibersim复合材料设计与工艺技术应用》一书，以满足广大复合材料应用工程师的需求，并帮助高校学子更快掌握
Fibersim软件应用。
无论您是复合材料行业的新兵，还是从业多年的专家，Fibersim的数字化设计技术和设计工艺一体化流程，都能帮助您
正向研发性能更好、材料更省、周期更短、工艺可行、质量可控的复合材料产品。西门子工业软件公司“决不让客户失败”
的理念，波客公司“超越客户期望”的服务，也将共助您在技术成长和职场发展中更上一层楼！
洪清泉
上海波客实业有限公司总经理
2019年1月于上海
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前言

复合材料的性能是由工艺过程决定的，结构又是通过不同的铺层设计得到的，因此复合材料结构件的性能是由材料、设
计、工艺决定的，这在提高其可设计性的同时，也大大增加了产品开发的难度和工作量。国际上公认复合材料结构的设计难
度和工作量是金属结构的3～4倍。传统的逆向设计方法（测绘仿制或等代设计），无法做出好的复合材料产品，只有采用正
向研发流程，遵循从顶层设计到部件分解再到整机集成的过程，将最适合的材料、设计和工艺一体化考虑，才能做出好的复
合材料产品。
复合材料产品正向研发离不开数字化技术。西门子Fibersim软件是业界历史最悠久、技术最先进，应用最广泛的复合材
料设计和工艺软件，在国外航空航天和汽车行业得到广泛应用，是复合材料产品数字化设计的利器，帮助用户在计算机上建
立可视化的精细设计模型并评估其工艺性。Fibersim已在中国商飞、中航工业、中国航天、中车集团等的多个院所的复材部
件，上汽、长安、北汽等车企的碳纤维零部件的设计和工艺流程中得到应用。
本书根据西门子Fibersim软件的英文版官方教材和用户指南最新大纲进行编写，重点介绍了Fibersim 15.0的新功能及各种
基本操作方法和技巧。其最大的特点是，在大量利用图解方法进行知识点讲解的同时，巧妙地融入了航空、汽车等多个领域
的复合材料工程应用案例，使读者能够在复合材料工程实践中掌握Fibersim的操作方法和技巧。
本书分为7章，每章的内容简介如下。
第1章 Fibersim简介：主要对Firbersim软件的特点和界面进行了介绍。
第2章 Pro（专业模块）：主要介绍了Firbersim基于实体创建几何要素、基于铺层设计理论、影响铺层铺覆性的因素、铺
覆方法论对铺覆性的影响、优化铺覆性问题的措施、坐标系类型、夹芯类型、实用辅助工具、多铺层设计理论。
第3章 Elite（高级模块）：主要介绍了Firbersim基于区域设计理论、过渡区高级处理、设计铺层高级定义、高级设计技
术、制造数据高级定义。
第4章 3D和2D数据：主要介绍了Firbersim的3D数据文档创建、2D数据文档创建。
第5章 Fibersim其余模块简介：主要介绍了Firbersim的体积填充设计理论、自动铺覆设计理论。
第6章 导入/导出：主要介绍了 Firbersim的导入接口、导出接口。
第7章 应用案例：主要是应用案例的讲解，内容涉及了民品、汽车、地铁、无人机以及民用客机等方面。
在西门子工业软件公司Fibersim专家吕长和Paul Mouland的支持下，由波客公司洪清泉总经理组织王招、涂尚平、钱攀、
范伟、赵小斌、杨远登、刘刚等十几位工程师，共同编写了本书，以满足广大复合材料应用工程师的需求，并帮助高校学子
更快掌握Fibersim软件应用。
在本书的写作过程中，编辑贾小红女士和柴东先生给予了很大的帮助和支持，提出了很多中肯的建议，在此表示感谢。
同时，还要感谢清华大学出版社的所有编审人员为本书的出版所付出的辛勤劳动。本书的成功出版是大家共同努力的结果，
谢谢所有给予支持和帮助的人们。
编 者