基于偏移量方法的民用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身蒙皮外形預(yù)變形設(shè)計(jì)

馬明

【摘 要】預(yù)變形設(shè)計(jì)是減小民用飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮變形的重要方法。變形前后各段曲線長(zhǎng)度變化是衡量變形質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。本文分析比較了曲線變形、曲面變形、偏移量變形三種變形方法的長(zhǎng)度變化。偏移量方法變形前后長(zhǎng)度變化最小。運(yùn)用偏移量方法對(duì)復(fù)合材料蒙皮曲面進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)。變形后曲面滿足預(yù)變形設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】預(yù)變形；蒙皮外形；復(fù)合材料；民用飛機(jī)

Pre-deformation design of skin profile of civil aircraft composite material based on offset method

MA Ming

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai， 201210，China）

【Abstract】Pre-deformation design is an important method to reduce the composites skin deformation of civil aircraft. The variation in length of the curve before and after the deformation is the critical index of deformation quality. This paper analyses and compares the length variation of three deformation methods： curve deformation， surface deformation and offset deformation. The length variation of the offset method is minimal before and after deformation. Application of offset method to pre-deformation design of composite skin surface is conducted. The result meets the pre-deformation design requirements.

【Key words】Pre-deformation； Skin profile； Composite material； Civil aircraft

0 前言

復(fù)合材料能減輕飛機(jī)的重量，改善耐腐蝕性能，提升飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，是新一代民用飛機(jī)先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。常見民用飛機(jī)機(jī)身復(fù)材結(jié)構(gòu)形式包括筒狀結(jié)構(gòu)和壁板結(jié)構(gòu)。筒狀結(jié)構(gòu)能保證復(fù)雜曲面形狀，但是制造成本較高；壁板結(jié)構(gòu)適用于簡(jiǎn)單曲面，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單[1]。對(duì)于壁板結(jié)構(gòu)復(fù)材蒙皮而言，實(shí)際形狀與理論形狀之間存在變形，如大面積帶弧度復(fù)材壁板在邊緣處回彈明顯，如圖1所示。這會(huì)增加裝配應(yīng)力，降低飛機(jī)外形品質(zhì)，甚至引發(fā)災(zāi)難事故發(fā)生。如何控制并減小變形是提升民用飛機(jī)復(fù)材蒙皮外形質(zhì)量的關(guān)鍵。

復(fù)合材料的變形機(jī)理包括熱變形、化學(xué)收縮變形、以及由模具所致變形[2]。在制造設(shè)備、工藝水平一定的情況下，變形規(guī)律是相對(duì)穩(wěn)定的。改善制造工藝設(shè)備面臨巨大成本投入?，F(xiàn)有條件下，可行做法是利用生產(chǎn)過程中積累的變形數(shù)據(jù)，在理論外形基礎(chǔ)上，進(jìn)行蒙皮外形預(yù)變形設(shè)計(jì)[3]。根據(jù)實(shí)際變形量預(yù)先對(duì)理論外形進(jìn)行補(bǔ)償性修正，使變形后外形與理論外形一致。進(jìn)行預(yù)變形外形設(shè)計(jì)是減小復(fù)合材料蒙皮變形的突破口。

1 三種曲面變形方法

常用的曲面變形方法有以下三種：曲線變形、曲面變形、偏移量變形。

曲線變形方法如圖2所示。根據(jù)至少兩組曲線r1、r2、r3……與t1、t2、t3……的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)于曲面S進(jìn)行變形，得到曲面W。在垂直于脊線g的平面P內(nèi)，P與r1、r2、r3相交于R1、R2、R3……，P與t1、t2、t3……相交于T1、T2、T3……。P與S相交于m。在平面P上，曲線e通過R1、R2、R3、……。曲線f通過T1、T2、T3、……。對(duì)于曲線m上一點(diǎn)Q，作其沿v方向的在e上的投影Qr。接下來作出Qr在f上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Qt。Qw根據(jù)向量計(jì)算得到Qw=Q+。

曲面變形方法如圖3所示。根據(jù)曲面R和T對(duì)曲面S進(jìn)行變形，得到曲面W。對(duì)于S上任一點(diǎn)Q，作Q在R上的投影Qr。在T上作Qr的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Qt。則Qw=Q+。

偏移量變形方法如圖4所示。對(duì)于曲面S上的點(diǎn)Q，根據(jù)Qw=Q+v（Q）進(jìn)行偏移得到變形后的曲面W。

2 效果比較

為了消除復(fù)材壁板在邊緣處的回彈，對(duì)曲面外形進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)，使變形后實(shí)際外形與理論外形一致。變形過程中保持曲面中部不變，使曲面上、下邊界線向外擴(kuò)張。變形后曲面其余部分依照原曲面外形光滑過渡，如圖5所示。變形前后保證：（1）曲面總面積不變；（2）各邊界線長(zhǎng)度不變。

復(fù)材機(jī)身蒙皮具有曲率分段連續(xù)的特點(diǎn)。變形前后各段長(zhǎng)度變化量是衡量變形質(zhì)量的重要指標(biāo)。為了分析比較不同變形方法的效果，選取典型三段圓弧曲面作為研究對(duì)象，如圖6所示。前、后邊界各段長(zhǎng)度如表1所示。曲面在上、下邊界處向外擴(kuò)張最大1.5mm。變形后曲面其余部分依照原曲面外形光滑過渡。

分別按照上述三種方法變形后，各段長(zhǎng)度變形前后的變化量如圖7所示。

比較發(fā)現(xiàn)，偏移量方法變形前后各段曲線長(zhǎng)度變化量最小。

3 變形實(shí)例

采用偏移量變形方法對(duì)如圖8所示后機(jī)身曲面進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)。上、下邊界向外擴(kuò)張的預(yù)變形量為6.5mm。

變形前后總長(zhǎng)度變化量為±0.01%，各段變化量在-0.06%到0.11%之間。滿足曲面預(yù)變形設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

預(yù)變形設(shè)計(jì)能減小民用飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮變形。衡量變形質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)是變形前后各段曲線的長(zhǎng)度變化。本文在分析比較曲線變形、曲面變形、偏移量變形三種方法長(zhǎng)度變化的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)偏移量方法變形前后長(zhǎng)度變化最小。運(yùn)用偏移量方法對(duì)機(jī)身復(fù)材蒙皮曲面進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)。變形后曲面滿足預(yù)變形設(shè)計(jì)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬立敏，張嘉振，岳廣華，劉建全，薛佳.復(fù)合材料在新一代大型民用飛機(jī)中的應(yīng)用[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào).2015（32）：317-322.

[2]胡清，邱航波，郭紹華，王翀.復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)變形機(jī)理分析及解決措施[J].裝備制造技術(shù).2013（3）：147-153.

[3]徐江鋒.大展弦比無人機(jī)機(jī)翼預(yù)變形研究[D].南昌.南昌航空大學(xué).2013.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint