飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件工裝的數(shù)字化設(shè)計(jì)初探

郭強(qiáng)

摘 要：飛機(jī)復(fù)合材料的比強(qiáng)度高、比模量大，且耐高溫、抗腐蝕、抗疲勞?；诤娇蘸教熳非蟛牧闲阅艿谝坏睦砟钕?，促使其成為復(fù)合材料構(gòu)件工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要試驗(yàn)戰(zhàn)場(chǎng)?；诖?，本文主要闡述了復(fù)合材料成型模具分析，并闡述了符合材料構(gòu)件制造數(shù)字化技術(shù)，以期進(jìn)一步提升飛機(jī)復(fù)合材料性能。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;數(shù)字化;模具設(shè)計(jì)

引言：新形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)對(duì)于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)處于初級(jí)階段，部分航空企業(yè)對(duì)復(fù)合材料成型模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)重視程度不夠。因此，相關(guān)航空企業(yè)有必要就構(gòu)件工裝的數(shù)字化設(shè)計(jì)深入分析，重視材料模具成型的制造過(guò)程，確保復(fù)合材料構(gòu)件成型后通過(guò)少量加工就能夠滿(mǎn)足數(shù)字化設(shè)計(jì)要求。

一、復(fù)合材料成型模具分析

（一）復(fù)合材料工藝數(shù)模設(shè)計(jì)

復(fù)合材料構(gòu)件的成型較比常規(guī)金屬材料成型不同，是材料與結(jié)構(gòu)同時(shí)成型的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程要在模具中完成，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中要確保構(gòu)件成型后不再做任何加工，并且在設(shè)計(jì)上要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保持外形、尺寸、力學(xué)性能等相關(guān)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，確保復(fù)合材料產(chǎn)品制造順利進(jìn)行。同時(shí)，飛機(jī)構(gòu)件外形大都為曲面，復(fù)合材料的數(shù)字化設(shè)計(jì)是保障模具成形加工的關(guān)鍵，復(fù)合材料在工藝設(shè)計(jì)上要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃，將外部形狀信息、內(nèi)部材料組織信息、制造信息、功能信息等相關(guān)因素統(tǒng)一起來(lái)[1]。復(fù)合材料工藝數(shù)模設(shè)計(jì)是數(shù)字化制造的基礎(chǔ)，對(duì)于后期的數(shù)字化制造和數(shù)據(jù)分析具有指導(dǎo)作用，換言之，數(shù)字化制造是將構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為制造的形式，數(shù)模包括貼模面設(shè)計(jì)、建立鋪層坐標(biāo)系、區(qū)域和過(guò)渡區(qū)域的建模及可制造分析等。

（二）復(fù)合材料成型模具設(shè)計(jì)

復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)始終隨著工藝方法的變化而變化，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是由上部分型板和下部分支撐組成，要求結(jié)構(gòu)中的板型精度要高，表面質(zhì)量過(guò)硬，保證滿(mǎn)足復(fù)合材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是控制板型變形，在高負(fù)荷狀態(tài)下將板型的變形設(shè)計(jì)控制在合理范圍內(nèi)，并且保證支撐結(jié)構(gòu)處于良好的通風(fēng)狀態(tài)下，減少模具在熱壓罐內(nèi)的熱量。由于框架式模具制造過(guò)程繁瑣，因此對(duì)設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性要求較高。對(duì)于大型的負(fù)荷材料壁板制造而言，框架模具必須兼?zhèn)鋭偠葟?qiáng)、散熱性能好、模具搬運(yùn)方便等特點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的成形模具設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量人力物力資源，對(duì)設(shè)計(jì)人員的理論知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能要求較高，工作量大，難以從根本上提升設(shè)計(jì)效率。為有效將大量勞動(dòng)力從復(fù)合材料成形模具設(shè)計(jì)中解放出來(lái)，需要優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模式，提升模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快設(shè)計(jì)周期。

在信息技術(shù)的推動(dòng)下，航空企業(yè)加快復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研發(fā)步伐，將成組化規(guī)范與數(shù)字化仿真分析預(yù)計(jì)結(jié)合，并且在復(fù)合材料成形方法多樣化情況下，加快設(shè)計(jì)人員等相關(guān)人員的培訓(xùn)，滲透數(shù)字化設(shè)計(jì)理念。并建立相配套的成組化模塊規(guī)范指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，確保全面提升設(shè)計(jì)人員的專(zhuān)業(yè)技能和綜合素養(yǎng)，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員不斷向先進(jìn)設(shè)計(jì)單位學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)[2]。航空企業(yè)通過(guò)建立專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)負(fù)荷材料的3D模型，按照模具設(shè)計(jì)流程進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，節(jié)省人力，將其航空企業(yè)設(shè)計(jì)成本，提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效進(jìn)行信息存儲(chǔ)。

二、復(fù)合材料構(gòu)建成型工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)

（一）模具體的設(shè)計(jì)

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)建的工裝包括模具、膠接夾具、裝配性架、數(shù)控切邊等。通過(guò)參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，提升工裝研制效率，能夠最大化滿(mǎn)足我國(guó)新機(jī)研制要求。復(fù)合材料構(gòu)建成型模具設(shè)計(jì)通常分為兩種類(lèi)型，一是通過(guò)在過(guò)渡模具直接復(fù)制符合材料的模具體;二是通過(guò)數(shù)控加工得到的金屬材料的模具體。在具體設(shè)計(jì)流程上，首先要設(shè)計(jì)好復(fù)合材料構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)模，提取成型面，確認(rèn)產(chǎn)品成型面上有無(wú)孔，有孔則需要立即修補(bǔ);然后提取產(chǎn)品輪廓線(xiàn)，利用投影基準(zhǔn)平面得到投影線(xiàn)，通過(guò)遺傳算法求取投影線(xiàn)外包絡(luò)輪廓，從而得到模具體輪廓多邊形，選擇成型面與輪廓多邊形生成基準(zhǔn)平面，要求確保曲面和輪廓多邊形滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，最后輸入木具體厚度參數(shù)，創(chuàng)建成型曲面的等距曲面，反復(fù)確認(rèn)等距曲面是否反方向，在反方向情況下，要以模具體輪廓多邊形拉伸實(shí)體，以成型面與等距面切割實(shí)體，確保最終等到模具的模具體。

（二）底架的設(shè)計(jì)

底架設(shè)計(jì)包括叉車(chē)口、環(huán)形方鋼、加強(qiáng)方鋼，且彼此之間存在著位置約束的關(guān)系，在進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的情況下，有效實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)建成型工裝的參數(shù)化設(shè)計(jì)。飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)建多為大尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)，在制作精度上要求較高，為保證產(chǎn)品互換協(xié)調(diào)，利用型架將飛機(jī)裝配中的零紐件定位和夾緊，具體參數(shù)設(shè)計(jì)是根據(jù)迷局設(shè)計(jì)創(chuàng)建支架的基準(zhǔn)平面、創(chuàng)建支架輪廓的多邊形、支架的拉伸方向，選擇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)直線(xiàn)、散熱孔類(lèi)型，并輸入各種尺寸參數(shù)、散熱特征參數(shù)，創(chuàng)建底板輪廓的多邊形、U向零件、V向零件、外支撐板等，最后的到可行性的底架設(shè)計(jì)方案。

（三）復(fù)合材料構(gòu)建制造數(shù)字化技術(shù)

在進(jìn)行模具數(shù)字化制造過(guò)程中，要依靠自動(dòng)化設(shè)備的精密度、高效數(shù)字化加工設(shè)備，盡可能縮短模具制造過(guò)程，提高模具設(shè)計(jì)質(zhì)量。其中將數(shù)控加工技術(shù)作為復(fù)合材料成型模具常用的加工制造方法，框架式模具板型、RTM成型模具的型腔等都需要采用數(shù)控加工來(lái)提升加工質(zhì)量和工作效率，在具體加工過(guò)程中要先對(duì)模具表面進(jìn)行處理，最大化提高模具表面性能，確定模具的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、摩擦性能等，盡量延長(zhǎng)模具使用壽命和效果。

三、結(jié)論

總之，就飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)來(lái)看，數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)中包括多方面內(nèi)容，相關(guān)航空工業(yè)企業(yè)要想有效提升復(fù)合材料性能，必須建設(shè)數(shù)字化設(shè)計(jì)的總體方案，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)步伐，結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)容，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保復(fù)合材料構(gòu)件工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)達(dá)到標(biāo)注化程度。

參考文獻(xiàn)：

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