飞机装配工装复合材料结构设计技术研究

飞机装配工装复合材料结构设计技术研究

霍涛 刘婉竹

沈阳飞机工业（集团）有限公司

摘要：现阶段，随着飞机产品制造精度和装配质量要求的不断提升，飞机制造企业需要实现更高精度的产品装配，装配工装是飞机装配的基础，提高装配工装定位精度是实现产品高精度装配的重要保障。

关键词：飞机；装配工装；复合材料；结构设计

引言

飞机制造过程中需要采用多种成套工艺装备，工装的设计制造占用大量人力和财力。飞机生产准备周期、工装制造成本占研制周期及研制成本相当大的比例。现有的工装，特别是装配型架，占地面积大，制造周期长，使用复杂，导致整个飞机的生产周期长。为减小装配过程中结构的变形并保证准确定位，飞机的装配工装一般采用刚性结构，一套工装只能用于一个对象的装配，因此，飞机生产过程中需要用到多套装配工装。

1关于飞机装配协调技术的研究与分析

1.1协调要素、协调关系

诸多不协调问题存在于飞机装配结构中，严重影响飞机性能。造成飞机装配结构不协调的因素包括零件设计、零件加工、工装制造等。新时期，为有效解决飞机装配中的不协调问题，将提升飞机制造进度作为重要研究课题，通过初步构建协调模型，建立总体的工艺设计方案，将协调内容、协调方法、协调依据纳入方案设计内，并将模型构建建立在产品设计的基础上，利用三维模型呈现飞机产品设计的尺寸和性质，从而体现整体的信息内容，飞机协调模型关系能够直观反映飞机的形状与尺寸，并结合飞机的装配结构，筛选出适合的组件、部件工艺装备，从而满足飞机装配零件中的控制标准。

1.2装配协调误差与系统开发

在飞机装结构装配中协调模型容易出现零件加工误差，此类误差严重影响着协调模型关系。零件加工主要控制零件的尺寸和零件形状，在飞机零件加工中，变形误差包括很多种，零件的薄壁零件会因为夹持、制孔、重力等因素产生变形的现象。配合定位误差也是飞机结构装配中的误差因素，在零件定位时，装配零件、装配设备要尽可能地贴合实际，并减少零件的平移和转动，将误差控制在最小范围内。重定位误差是在飞机结构中定位时产生的误差，基于零件的不同层次，其制造基准和定位之间存在一定的差异性，从而形成重定位误差。

2当前飞机先进复合材料结构装配协调技术现状

飞机先进复合材料基于本身属性的不同，受影响的因素也不相同，由于复合材料树脂固化收缩、模具热膨胀系数等因素不同，直接影响复合材料制造后的尺寸精度。如果飞机复合材料部件位置不匹配，将严重影响后续的处理。采取强制的处理方法，金属部件会产生变形的现象，增加了额外的应力，加之复合材料众多的不确定因素，加剧了结构装配协调问题。复合材料的高刚度难以将其制压到合适位置上，对于不符合标准的构件，一般采用加垫补偿的方式进行适当的配合，这增加了经费成本，因此必须提高结构装配协调技术的创新性，减少各项因素影响而产生的误差。

3结构装配协调技术未来发展趋势

3.1复材构件装配偏差建模

复材构件的装配协调须考虑复材构件自身的尺寸偏差、形状偏差、定位误差、夹持方法与连接工艺等，需要研究考虑几何外形、材质差异、定位与夹紧等多因素的复材构件偏差的综合描述方法，为后续复材构件偏差建模、公差设计奠定基础。主要包括如下3方面：（1）针对复材构件制造实际，积累基础数据，获得复材构件制造偏差的分布。包括典型的复材梁、壁板等构件的尺寸、形状、厚度等偏差信息，以及相应的制造工艺和技术条件等。全尺寸复材构件制造偏差的数据积累，能够有效提升复材构件装配偏差预测结果的准确度。（2）复材构件的材质误差描述方法。针对复材构件不同铺层、纤维材料与树脂性能波动以及工艺参数波动造成的板料厚度、机械性能等参数的变化，研究复材构件材质性能参数的统计特性，定义复材构件材质误差的描述向量来表达复材构件材质误差，实现形状协调的同时也满足装配性能的要求。

3.2装配应力对复材构件疲劳性能影响

复材构件的装配协调首先要满足尺寸、形状等几何精度要求。在此基础上，运用合理的装配工艺参数（定位、夹紧、连接），对构件装配应力进行调控，保证最终产品整体装配应力水平满足设计要求，达到服役性能要求。疲劳性能是产品服役性能的重要内容之一，可将疲劳性能作为飞机复材精准装配的目标和依据，确定具体的装配工艺参数和协调方法。主要研究内容包括：（1）针对复材典型结构细节（如开孔、变厚度、变截面等），研究典型疲劳试件制作以及在疲劳试件中加入初始内应力模拟装配应力的方法，通过疲劳试验积累基础数据。（2）针对复材构件不同装配结构和特征试件的疲劳试验数据，研究多试件疲劳性能的综合方法，实现对复材构件整体疲劳性能的评价，探索装配应力对复材整体结构疲劳性能的影响规律，实现全尺寸复材部件的装配协调和应力控制。（3）将疲劳性能的要求转化为装配应力控制要求的方法。由于复材构件的制造偏差，复材构件在形状协调时应引入装配应力，这些应力会影响复材结构的疲劳性能。同时，由于复材构件不同的几何特征（如开孔、变厚度、变截面等），导致复材构件装配后各处的装配应力存在差异。需要针对复材构件不同部位装配应力的实际，探索装配应力对飞机复材构件疲劳性能的影响规律，将疲劳性能的要求转化为装配应力控制要求。

3.3复核材料装配应力的工艺方法

飞机先进复合材料装配架型作为控制飞机装配准确度、协调度的重要手段，复合材料装配过程中更加依赖于装配型架，所实施的任务在型架上完成。为有效提升结构装配协调性，要合理优化定位方法，充分考虑装配复合材料的应力，控制构件装配偏差，合理考量位姿、形状和内应力的定位，并在装配协调中寻找内应力场，从而提升复合材料结构的疲劳性能。采用科学的下架方式，将复合材料构件置于约束状态，在此作用下，构件内部应力场在下架过程中随着应力的变化而变化，确保在复合材料构件装配结束后，连成受力整体，充分考虑构件定位在组合作用下的损伤行为，尽可能减少复合材料构件局部损伤。

3.4复材增韧对装配协调技术的影响

目前已有的采用加垫补偿等几何自适应策略解决复材构件制造偏差带来的装配问题，是一种基于现象的被动补偿方法，没有从协调形变与内应力耦合作用的机理上对问题进行研究和主动解决。究其根本，是认为复材比强度、比刚度大、变形能力非常小，不能根据装配协调的需要改变其固有形状。同时，加垫补偿等方法很难满足飞机批量化制造的大批量、高效率、低成本等要求。随着树脂增韧技术的发展，复材的韧性和层间特性也在不断改进，这种改进直接影响后续复材制孔、装配等。在制孔方面，已经有关于短纤维增韧影响复合材料制孔损伤模式的研究报道。复材韧性的改进，减小了发生脆性断裂的可能。在尺寸效应和树脂增韧的作用下，大型复材构件表现出一定的变形能力，为装配协调提供了较大的求解域，可以使大型复材构件产生一定的变形来完成装配，无需或减少加垫补偿。

结语

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其具有高比强度、高比模量、优良的化学稳定性、优越的抗震动衰减性能、耐疲劳性、热稳定性等性能，近年来，广泛地应用于航空航天、交通运输、风力发电、体育用品和管道等领域。随着航空制造业更高效率、更高质量的追求，复合材料产品更加成熟，成本呈降低趋势，开展复合材料装配工装设计技术研究，拓展复合材料在飞机装配过程的应用，有利于解决目前传统材料工装结构存在的技术难题。

参考文献

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[2]陈绍杰.复合材料技术发展及其对我国航空工业的挑战.高科技纤维与应用,2019,35(1):1-7

[3]王华.飞机先进复合材料结构装配协调技术研究现状与发展趋势[J].航空制造技术，2020，61（7）：26-33.