真空導(dǎo)入成型工藝成本低、無污染、適宜制造大尺寸薄殼構(gòu)件的特點(diǎn)使其受到游艇制造業(yè)的青睞。目前國內(nèi)艇體真空導(dǎo)入成型的工藝參數(shù)主要靠人工經(jīng)驗(yàn)以及試錯法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)陷入周期長、成本高、復(fù)用性差的窘迫境地，工藝知識的傳承與共享受到限制，嚴(yán)重影響了艇體制造業(yè)的發(fā)展。本文在國內(nèi)外已進(jìn)行的相關(guān)研究基礎(chǔ)上對艇體真空導(dǎo)入成型中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并將計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)用于艇體成型，旨在提高工藝設(shè)計(jì)自動化和智能化水平，縮短成型周期，減小制造成本，提高競爭優(yōu)勢。
通過對真空導(dǎo)入成型工藝原理的分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程，對艇體真空導(dǎo)入成型過程進(jìn)行深入的理論研究。對成型過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行分析，并針對常見缺陷得出成型材料的選擇原則。構(gòu)建了面向艇體的真空導(dǎo)入成型工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能框架。針對艇體成型過程中存在的充模不完全問題，對艇體真空導(dǎo)入成型的澆注系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。從充模時間、成型質(zhì)量、制造成本等角度對不同流道布置方式進(jìn)行分析比較，得出最佳流道布置方式。對不同澆口間距下的充模過程進(jìn)行仿真，以最小充模時間和最低成本為目標(biāo)，得出最優(yōu)澆口位置。
艇體不同區(qū)域鋪層方案不同，導(dǎo)致滲透率存在變化。通過分析常用增強(qiáng)材料的性能，對導(dǎo)流布和增強(qiáng)材料預(yù)成型體的滲透率求解問題進(jìn)行研究。針對成型過程中存在的干斑、氣泡等缺陷，對不同鋪層方案進(jìn)行充模仿真，分析仿真結(jié)果得出合理鋪層方案。
在上述工藝技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了面向艇體的真空導(dǎo)入成型工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，分析其接口技術(shù)以及存儲規(guī)劃。最后利用Visual C++完成了系統(tǒng)原型的開發(fā)，并驗(yàn)證了其可行性。
第1章 緒 論
1.1課題背景及研究意義
2 1世紀(jì)是“海洋時代”，各種海洋產(chǎn)業(yè)開始嶄露頭腳進(jìn)而闊步前進(jìn)。游艇業(yè)一一“漂浮在黃金水道上的巨大商機(jī)”，作為海洋產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，近年來有了長足發(fā)展。游艇作為人類生活向海洋延伸的載體，集娛樂休閑、運(yùn)動觀光等功能于一體，極大的提高了人們的生活品質(zhì)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們對生活品質(zhì)要求的提高，國外游艇市場不斷成熟，游艇正逐步成為家庭耐用消費(fèi)品之一。我國的游艇業(yè)起步于上世紀(jì)50年代，并在本世紀(jì)初走上了高速發(fā)展的快車道。在總體經(jīng)濟(jì)形勢一片大好的環(huán)境下，中國游艇業(yè)及其下游產(chǎn)業(yè)正逐漸形成一條產(chǎn)業(yè)鏈，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間。
在游艇制造業(yè)方面，我國與歐美國家存在很大差距。從世界范圍來看，隨著復(fù)合材料及其成型技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料游艇主要是玻璃鋼游艇集萬千優(yōu)勢于一身，占據(jù)了游艇制造產(chǎn)業(yè)的大半江山。國外的復(fù)合材料游艇成型技術(shù)經(jīng)過相當(dāng)長時間的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐已相對完善和成熟，典型的有SCRIMP工藝以及VARTM工藝。在國內(nèi)，由于缺少全行業(yè)高瞻遠(yuǎn)矚的調(diào)控和整體規(guī)劃，艇體制造目前還呈現(xiàn)著散兵游勇的狀態(tài)，尤其是在專業(yè)人才、原材料、成型工藝等方面存在諸多問題。傳統(tǒng)的手糊成型、噴肘成型仍然占據(jù)很大部分市場，但其對工人工作狀態(tài)的依賴造成的成型質(zhì)量不穩(wěn)定以及由于其開模成型的特點(diǎn)導(dǎo)致的對環(huán)境的污染等不足已無法滿足現(xiàn)代游艇業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的要求。真空導(dǎo)入成型作為一種閉模成型工藝，具有重復(fù)性好、環(huán)保等優(yōu)勢，目前已在一部分游艇制造企業(yè)中投產(chǎn)。由于起步相對較晚，游艇真空導(dǎo)入成型在工藝設(shè)計(jì)方面還很不成熟，理論研究不完善，并未完全發(fā)揮其優(yōu)勢。在實(shí)際生產(chǎn)中，只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并利用試錯法對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致了效率低下，制造成本增加。隨著世界范圍內(nèi)游艇制造業(yè)競爭的加劇，不斷完善成型工藝，降低成本、提高競爭力已經(jīng)是刻不容緩。
在上述背景下，本課題以山東省中復(fù)西港船艇有限公司12m玻璃鋼游艇的生產(chǎn)為依托，致力于對艇體真空導(dǎo)入成型工藝設(shè)計(jì)及制造過程進(jìn)行深刻的理論研究。針對實(shí)際生產(chǎn)中通過試錯法進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題，利用數(shù)值模擬技術(shù)對澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；對于成型過程中由于增強(qiáng)材料鋪層參數(shù)不合理所造成的干斑、氣泡等缺陷，通過對增強(qiáng)材料預(yù)成型體滲透率的研究，利用數(shù)值模擬技術(shù)對鋪層可制造性進(jìn)行評價；并開發(fā)支持艇體真空導(dǎo)入成型工藝設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬以及參數(shù)優(yōu)化的計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，旨在提高艇體真空導(dǎo)入成型工藝設(shè)計(jì)自動化、智能化程度，對指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1游艇業(yè)及其艇體成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
從廣義上來說，外形美觀、內(nèi)部裝潢考究、品質(zhì)優(yōu)良，集航海、運(yùn)動、休閑、娛樂為一體，旨在滿足人們運(yùn)動與娛樂需要的船艇即可被稱為游艇
(yacht)。游艇起源于1 7世紀(jì)中葉的英國，時任英國國王的查爾斯二世在登基時獲贈了一艘做工精細(xì)考究的皇家狩獵漁船。之后王公大臣們紛紛仿效，
把漁船改裝為豪華的娛樂用艇，這正是現(xiàn)代游艇的雛形。1 8世紀(jì)的歐洲，游艇成為貴族們身份和地位的象征，盛極一時。到了1 9世紀(jì)，英國制造商
首次利用蒸汽機(jī)和螺旋槳為游艇提供動力，為游艇業(yè)的騰飛插上了翅膀?，F(xiàn)如今，游艇的裝備已全面升級，超越了豪華轎車成為僅次于私人飛機(jī)的富豪
新寵[1]。
游艇講究性能、外觀及舒適性，屬于高消費(fèi)產(chǎn)品，具有很高的附加值。縱觀世界游艇業(yè)，北美洲和歐洲作為最大的兩個游艇市場，占據(jù)了游艇份額
的90%以上[2]。歐洲作為游艇工業(yè)的老牌國家，經(jīng)過幾個世紀(jì)的傳承與發(fā)展，市場活躍、游艇俱樂部及專業(yè)碼頭繁多，已經(jīng)形成了一條完善的，囊括制造、銷售、維修、服務(wù)、金融、保險等領(lǐng)域的游艇產(chǎn)業(yè)鏈。在美國，超強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力使其后來居上，超越歐洲成為游艇制造和消費(fèi)的雙料冠軍。世界主要游艇消費(fèi)國人均擁有游艇數(shù)量如表1—1所示。
上世紀(jì)50年代至70年代，由于經(jīng)濟(jì)水平和消費(fèi)條件的限制，不同于歐美國家游艇業(yè)的飛速發(fā)展，我國游艇生產(chǎn)主要是公用型游艇，還沒有形成私人游艇產(chǎn)業(yè)。公園、湖泊以及海邊的劃槳艇、機(jī)動小艇和游覽艇共同構(gòu)成了處于萌芽期的中國游艇業(yè)的一個縮影。到了70年代末期，改革開放的號角喚醒了游艇業(yè)的春天。80年代初，在深圳建成了我國第一家豪華游艇生產(chǎn)企業(yè)一一江輝玻璃鋼船廠，中國游艇業(yè)開始揚(yáng)帆起航。這個時期，中國游艇企業(yè)通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，以來料加工、貼牌生產(chǎn)的形式與外資企業(yè)合作，國產(chǎn)游艇規(guī)格型號開始多樣化。進(jìn)入新世紀(jì)，隨著我國綜合國力的提高以及世界范圍內(nèi)游艇市場增速的減緩，中國的游艇市場吸引了全世界游艇業(yè)的目光。大量外國游艇企業(yè)進(jìn)入中國，國內(nèi)有實(shí)力的企業(yè)也開始進(jìn)軍游艇領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年我國面向亞洲、歐洲、北美洲等共出口娛樂及運(yùn)動用充氣快艇、帆船、汽艇等四大類船艇685 1 0艘，年產(chǎn)值達(dá)1 5億元人民幣[4]。截止到2004年，世界上項(xiàng)尖品牌的游艇公司如Mustang、Sunseeker、Ferretti、Regal、Nidelv等都已經(jīng)相繼進(jìn)軍中國游艇市場。特別是近幾年，游艇業(yè)出口額從2006年的1.8憶美元到2007年的2.2億美元再到2008年的2.6億美元，一路高歌猛進(jìn)。目前我國已經(jīng)有游艇制造企業(yè)200多家，年產(chǎn)值超過1 000萬元的有30多家，游艇生產(chǎn)能力已躋身全球十強(qiáng)，超級游艇的制造能力更是躍居全球第六。
我國擁有遼闊的海岸線以及諸多內(nèi)陸水系，良好的自然資源為游艇業(yè)的發(fā)展提供了得天獨(dú)厚的條件。2009年1月1日起，我國頒布的《游艇安全管理規(guī)定》正式施行，使游艇跨海區(qū)巡游成為可能，這是我國游艇發(fā)展道路上的又一重大突破。據(jù)專業(yè)預(yù)測，到20 1 5年中國游艇帆船市場消費(fèi)規(guī)模將達(dá)到2000億元到3000億元。隨著游艇設(shè)計(jì)的不斷創(chuàng)新、工藝的不斷完善、配套產(chǎn)業(yè)的不斷成熟以及游艇檢測的標(biāo)準(zhǔn)化、銷售渠道的國際化，中國游艇業(yè)必將揚(yáng)帆遠(yuǎn)航、走向世界。
游艇制造工藝隨著材料成型工藝的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的演化歷程。從50年代初期的傳統(tǒng)木制膠合結(jié)構(gòu)到60年代初鋁合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，再到60年代中期FRP結(jié)構(gòu)的異軍突起，各類材料成型技術(shù)的發(fā)展時刻影響著游艇制造業(yè)的走向。時至今日，復(fù)合材料游艇主要是玻璃鋼游艇占據(jù)了游艇業(yè)的主流市場，其中長度在6—20m范圍內(nèi)的游艇中，玻璃鋼游艇占90%以上[6]。由于玻璃鋼游艇質(zhì)量檢測技術(shù)的限制，在長度超過35米的游艇中，主要還是采用鋼制材料。
我國的玻璃鋼游艇制造始于上世紀(jì)70年代中期，至今不過四十余載‘。在經(jīng)歷了初期的緩慢發(fā)展之后，到80年代初開始受到更多的關(guān)注：成型設(shè)備機(jī)械化程度不斷提高，成型質(zhì)量日趨完善。由于游艇具有尺寸大、型線復(fù)雜、技術(shù)含量高等特點(diǎn)，利用纏繞、拉擠等傳統(tǒng)玻璃鋼成型工藝并不能實(shí)現(xiàn)游艇艇體的制造。常用的玻璃鋼游艇成型工藝如表1—2所示。
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