應用質(zhì)量控制方法完善復材壁板設計

支 晗,鄭 雙,朱照澤

(中航沈飛民用飛機有限責任公司 工程研發(fā)中心,沈陽 110000)

現(xiàn)代化民機產(chǎn)業(yè)是知識、技術和資本密集的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),是衡量國家科技、工業(yè)水平和綜合國力的重要標志之一.研發(fā)設計環(huán)節(jié)是民機產(chǎn)業(yè)的上游及核心環(huán)節(jié).機身壁板是飛機的重要組成部分和承載結(jié)構(gòu),壁板設計直接決定著飛機的經(jīng)濟性,是飛機研發(fā)的關鍵技術之一.隨著復合材料的廣泛應用,機身壁板大面積采用復材進行設計.然而,在滿足各方面期望值的前提下,復材壁板設計方法較為分散繁雜.因此,對復材壁板設計過程的質(zhì)量控制(Quality Control，QC)提出了更高要求.

經(jīng)過查閱文獻發(fā)現(xiàn),QC方法在鑄造工藝改進[6]、座椅供儲方式改進[7]、飛機金屬框分析效率[8]等諸多領域已經(jīng)得以運用,并收獲了喜人的成效.

ISO 9000中對QC的定義為“質(zhì)量管理的一部分,致力于滿足質(zhì)量要求”.創(chuàng)新型QC由中國質(zhì)量協(xié)會于2001年提出,旨于激勵培育創(chuàng)新思維、造就創(chuàng)新人才、推出創(chuàng)新成果和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.

QC方法以事實為依據(jù),整個過程在PDCA循環(huán)(戴明環(huán))中得到進一步優(yōu)化.PDCA循環(huán)在各個領域的應用證明了其科學性和有效性[1-2].創(chuàng)新型QC方法是把一種認識轉(zhuǎn)化為實踐的過程,存在較大的思維發(fā)散空間,按照“4階段8步驟”的提法,循環(huán)運用如圖1所示[3-4].

QC運用過程中正確合理地使用統(tǒng)計技術工具[5]處理數(shù)字及非數(shù)字數(shù)據(jù),直接決定著總體質(zhì)量的準確判斷.統(tǒng)計技術工具分為3類:老7種工具(排列圖、因果圖、調(diào)查表、分層法、直方圖、控制圖、散布圖)、新7種工具(關聯(lián)圖、系統(tǒng)圖、親和圖、PDPC法、矩陣圖、矩陣數(shù)據(jù)分析法、矢線圖)、其他統(tǒng)計工具(柱狀圖、折線圖、雷達圖等).

圖1 PDCA循環(huán)示意圖Fig.1 PDCA cycle diagram

本文以某機型前機身上壁板區(qū)域的3個框距、8個長桁距的復材壁板為研究對象,突破民機研發(fā)設計領域的關鍵技術,通過QC手段及統(tǒng)計技術工具的合理轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新,研發(fā)復材壁板設計新方法.

1 QC過程運行

1.1 設定目標

研發(fā)復材壁板設計方法,降低出錯率,提高效率和精度,設計飛機典型壁板,使之滿足70 kN極限載荷條件下,質(zhì)量小于25 kg.

1.2 提出方案并確定最優(yōu)方案

應用頭腦風暴法廣泛提出第1層2大備選方案以實現(xiàn)復材壁板輕量化設計.

參數(shù)化拓撲優(yōu)化法是指引入拓撲設計理念完成復材壁板輕量化設計.非線性屈曲設計法是指利用精準地分析復材壁板進入后屈曲以完成輕量化設計.應用統(tǒng)計工具親和圖法對兩者進行多方面歸納總結(jié)(見圖2).

圖2 2大方案親和圖Fig.2 The affinity diagram of two schemes

初步建立2方案的基本程序.為節(jié)約運算時間,選取小型壁板進行設計.采用統(tǒng)計工具雷達圖對結(jié)果進行分析，如圖3所示.從圖3可以看出,非線性屈曲設計法在維修、工裝成本以及QC方面優(yōu)勢明顯,選擇此方法作為第1層方案,最優(yōu)方案細化時會對耗時多的缺點予以解決.圖4為方案的流程圖[9-10].

圖4 方案流程圖Fig.4 The flow chart of scheme

基于第1層方案,應用QC方法進行第2層方案分解，確定具體最優(yōu)方案.

(1) 確定壁板設計方法.工程分析定義法和理論計算定義法是壁板設計常用的兩種方法.在給定極限載荷情況下,應用兩者分別對典型壁板單元進行設計,采集多組質(zhì)量數(shù)據(jù)和工時,用統(tǒng)計方法處理數(shù)據(jù)后給出匯總結(jié)果列于表1.工程分析定義法設計出壁板質(zhì)量輕、耗時少.結(jié)論:選擇工程分析定義法.

表1 設計方法統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Statistical data result of design method

(2) 確定模型構(gòu)建方式.復材結(jié)構(gòu)在設計分析中需要考慮材料的退化,故需要輸入大量材料數(shù)據(jù).針對程序開發(fā)和界面輸入兩種形式,分別建立對應的輸入模塊,并組織5名設計員采用兩種方案對一類復合材料工程參數(shù)進行3次輸入,采集所用工時，記錄出錯情況,并采用統(tǒng)計工具分層法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,結(jié)果列于表2中.程序開發(fā)耗時少、出錯率低.結(jié)論:選擇程序開發(fā)形式.

表2 模型構(gòu)建方式統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Statistical data result of model building %

(3) 確定理論內(nèi)容.理論選擇影響著結(jié)構(gòu)質(zhì)量.先進復合材料分析理論主要是強度理論、斷裂力學和損傷力學理論.分別應用這3種理論對典型壁板單元進行分析,分析精度統(tǒng)計結(jié)果匯總于表3中.損傷力學理論精度高.結(jié)論:選擇損傷力學理論.

表3 理論分析精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.3 Statistical data result of theoretical

(4) 確定求解器類型.Nastran和Abaqus是兩種常用仿真求解器.分別采用兩者對典型壁板單元進行分析計算統(tǒng)計所用工時,匯總結(jié)果于表4中.ABAQUS求解器省時.結(jié)論:選擇Abaqus求解器.

為了更深入地找到具體的最優(yōu)方案,進行了第3層的方案分解.

(1) 確定壁板設計方法實現(xiàn)方式.開發(fā)Excel工具和可執(zhí)行軟件是當前航空結(jié)構(gòu)設計中廣泛采用的兩種方式.初步開發(fā)兩種方式的設計模塊,組織5名設計員進行多次試用,采集所用工時和記錄出錯情況,并采用統(tǒng)計工具分層法分別針對是否超過5 min的次數(shù)以及追錯成功次數(shù)進行匯總,將超

表4 求解工時統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.4 Statistical data result of solve working hours h

時率和追錯成功率列于表5中.開發(fā)Excel工具耗時少、追錯率高.結(jié)論:選擇開發(fā)Excel工具.

表5 模型構(gòu)建方式統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.5 Statistical data result of model building %

(2) 確定理論實現(xiàn)方式.理論實現(xiàn)經(jīng)常是通過程序語言開發(fā)和二次開發(fā)插件兩種形式進行.查閱大量相關資料,匯總了兩者在擴展性、可維護性以及通用性的情況.程序語言開發(fā)優(yōu)勢明顯.結(jié)論:選擇程序語言開發(fā)方式.

(3) 確定求解方法.復材壁板的強度設計需要確定精準的求解方法，模擬復合材料受載時的動態(tài)響應.擬采用如下3種求解方法對典型壁板單元進行分析,表6列出了分析耗時以及精度情況.RIKS法各方面均占優(yōu)勢.結(jié)論:選擇RIKS求解方法.

表6 求解方法統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.6 Statistical data result of solve method

基于以上內(nèi)容,運用統(tǒng)計工具系統(tǒng)圖法,得到了最優(yōu)方案如圖5所示.

圖5 最優(yōu)方案系統(tǒng)圖Fig.5 The optimal scheme system diagram

1.3 制定對策并實施

1.3.1制定對策

運用QC方法并根據(jù)5W1H原則,同時對應最優(yōu)方案末端因素,制定對策表(見表7).

表7 對策表Tab.7 Countermeasure table

1.3.2對策實施

實施1編制工程分析定義法設計壁板的Excel工具

(1) 確定設計準則和臨界失效模式.制定了在60%的限制載荷下，允許蒙皮屈曲的相關設計準則.

(2) 編譯Excel VBA工具.結(jié)合設計準則,布置設計工具界面布局及輸入、輸出端口,完成工具編譯工作.

效果檢查:組織5名設計員對壁板設計工具進行多次實測,檢驗設計壁板耗時以及追錯成功率.情況統(tǒng)計如表8所示.

表8 工具使用情況統(tǒng)計Tab.8 Statistical result of tool using

結(jié)論:完成對策1中的目標,措施有效.

實施2開發(fā)實現(xiàn)模型構(gòu)建的程序

(1) 確定詳細的前處理內(nèi)容.依據(jù)有限元分析特點[11],確定前處理內(nèi)容,包含模型幾何修剪、建立所需單元、賦予屬性、載荷和邊界條件以及模型檢查.

(2) 編寫參數(shù)輸入程序.利用Python語言創(chuàng)建用于復合材料分析使用的退化參數(shù)輸入程序.

(3) 編寫相關技術性文件.結(jié)合目標方法的前處理特點,總結(jié)出建模簡化方法、單元選擇、編號規(guī)定等多方面的內(nèi)容,編寫統(tǒng)一的規(guī)范性指導文件.

效果檢查:組織5名設計員對程序進行多次試用,檢驗輸入?yún)?shù)錯誤率.統(tǒng)計參數(shù)輸入錯誤情況如表9所示.

表9 輸入工時統(tǒng)計結(jié)果Tab.9 Statistical result of input working hours

結(jié)論:完成對策2中的目標,措施有效.

實施3創(chuàng)建實現(xiàn)損傷力學理論的程序開發(fā)文件

(1) 確定損傷力學分析流程.根據(jù)損傷力學理論迭代特點,創(chuàng)建了理論分析流程,給出流程內(nèi)容如圖6所示.

圖6 分析流程圖Fig.6 The flow chart of analysis

(2) 建立材料退化方式.選取復合材料典型試驗,建立所用單向帶材料退化本構(gòu).通過6個域來控制材料受載時的退化方式.

(3) 編寫通用程序命令流.根據(jù)損理論流程和材料退化方式,創(chuàng)建復材壁板漸進損傷材料分析子程序模塊.

效果檢查:通過復合材料典型試驗,并對子程序進行運算調(diào)試,驗證理論和材料退化方式正確性.為提高分析效率,對1/4試驗件(見圖7)進行分析,得到破壞時的載荷為9 502 N(見圖8)以及破壞時的應變情況,如圖9所示.

圖7開孔壓縮試驗件
Fig.7Openingcompressiontestingspecimen

圖8 開孔壓縮分析載荷位移曲線Fig.8 The load-displacement curve of opening

圖9 開孔壓縮分析Fig.9 Opening compression analysis

采用材料退化過程中新的本構(gòu)關系,通過ABAQUS二次開發(fā)平臺進行非線性分析.隨后進行對應試驗,應用統(tǒng)計技術工具控制圖法(見圖10和圖11)對結(jié)果進行統(tǒng)計,沒有越出控制界限的點,試驗過程處于穩(wěn)定控制中,試驗數(shù)據(jù)可信,可以用于驗證分析結(jié)果.圖12中分析與試驗結(jié)果對比誤差小于5%.

圖10 樣本均值X-R圖Fig.10 The X-R chart of sample average

結(jié)論:完成對策3中的目標,措施有效.

實施4確定ABAQUS RIKS法求解

(1) 建立統(tǒng)一的求解流程.圖13中創(chuàng)建了非線性分析的求解流程.

圖11 樣本極差X-R圖Fig.11 The X-R chart of sample range

圖12 試驗與分析結(jié)果誤差圖Fig.12 The error chart of test and analysis

圖13 Riks分析流程圖Fig.13 The flow chart of Riks analysis

(2) 參數(shù)制定并運行求解文件.通過繪制統(tǒng)計技術工具PDPC圖(見圖14)預測了可能出現(xiàn)的障礙，并制定了多種應變計劃,最終達到了求解器零報錯的理想狀態(tài).

效果檢查:組織5名設計員按照建立的求解流程和參數(shù)制定標準進行多次分析求解.匯總報錯情況如表10所示.結(jié)論:完成對策4中的目標,措施有效.

圖14 PDPC圖Fig.14 Process decision program chart

員工序號12345分析次數(shù)2018153132報錯數(shù)00000

2 QC效果確認

成功研發(fā)了飛機機身復材壁板設計方法,該方法有效降低出錯率,提高效率和精度.隨后將該方法應用,順利設計出復材壁板,如圖15所示.表11列出了具體尺寸.經(jīng)測量,此壁板質(zhì)量為24.4 kg,其值小于25.0 kg.

圖15 復材壁板結(jié)構(gòu)示意Fig.15 The diagram of composite pane structure

為獲得其承載能力,對此壁板開展試驗,試驗與本文方法得到的承載能力曲線對比情況如圖16所示.兩曲線吻合較好,且均大于設計時的極限載荷70 kN(見表12),證明本文方法可靠有效,實現(xiàn)了預定的目標.

表11 設計出的復材壁板尺寸Tab.11 The measurement of designed composite

圖16 試驗與分析結(jié)果Fig.16 The result of test and analysis

kN

3 結(jié)論

通過QC方法的運用,復材壁板設計方法研發(fā)成功.該方法科可有效降低出錯率,提高效率和精度.在滿足70 kN極限載荷條件下,設計出的復材壁板質(zhì)量為24.4 kg,小于25.0 kg目標值.

(1) 從PDCA循環(huán)的運行情況來看,遵循此流程的創(chuàng)新型QC方法,對于完善復材設計工作來說是十分有效的方法,成功研發(fā)了飛機機身復材壁板設計方法.

(2) 從QC的效果來看,PDCA循環(huán)形成的非線性屈曲設計,復材壁板滿足承載能力的同時質(zhì)量得以控制,提高了飛機的經(jīng)濟性和競爭力.

(3) 從創(chuàng)新型QC過程中統(tǒng)計技術工具的運用程度來看,多種工具巧妙適宜地處理了數(shù)字及非數(shù)字數(shù)據(jù),為結(jié)果的快速準確判斷提供了手段.本文突破了創(chuàng)新型QC中統(tǒng)計工具運用局限的難題,為創(chuàng)新型QC過程中統(tǒng)計技術工具提供了新的思路.

(4) QC方法完善復材壁板設計工作的成功,有效體現(xiàn)了創(chuàng)新型QC的顯著作用.本文的設計方法對飛機復材結(jié)構(gòu)設計具有重要意義,是民機復材結(jié)構(gòu)研發(fā)的一項關鍵技術.這對于民機結(jié)構(gòu)研發(fā)過程中的QC具有一定的借鑒意義.

技術文件和發(fā)明專利在后續(xù)工作中將得以固化,成為標準化的一部分.