基于DFX的民機復合材料結(jié)構(gòu)設計

藍元沛，胡婷萍，王棟，劉傳軍，李東升

(1.中國商飛上海飛機制造有限公司，復合材料中心，上海 200123；2. 中國商飛北京民用飛機技術研究中心，民用飛機結(jié)構(gòu)與復合材料北京市重點實驗室，北京 102211；3. 中國商用飛機有限責任公司，上海 200126)

0 引言

復合材料在民機結(jié)構(gòu)上的應用情況大致可以分為四個階段：第一階段是應用于受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件；第二階段是應用于升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件；第三階段是應用于垂尾、平尾等受力較大的部件；第四階段即應用于機翼、機身等主要受力部件。

民機安全性、經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性的發(fā)展目標，對結(jié)構(gòu)提出了輕量化、高可靠、長壽命和高效能的要求。復合材料的優(yōu)勢滿足了民機發(fā)展需求。民機機體結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了復合材料化的趨勢，復合材料的大量應用已成為衡量新一代民機先進性的重要標志，也是爭奪新一輪國際民機市場份額的關鍵因素之一[1]。

當前世界上最具有代表性的新一代大型民用飛機包括波音787飛機和空客A350 XWB飛機，復合材料占機體結(jié)構(gòu)重量比例已超過50%，其重要標志是采用了復合材料機翼和機身?，F(xiàn)代大型民機復合材料應用發(fā)展如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代大型民機復合材料應用發(fā)展

雖然復合材料優(yōu)點很多，但由于結(jié)構(gòu)與材料同時成型的特點使復合材料容易產(chǎn)生制造缺陷，導致其性能分散且影響因素復雜。為此，需要貫徹并行工程理念，采用面向制造的復合材料結(jié)構(gòu)設計理念，綜合考慮選材、制造工藝、檢測維護、成本等因素，從而充分發(fā)揮復合材料可設計的優(yōu)勢，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率、性能、功能與全壽命期成本綜合優(yōu)化的綠色設計[2]。

并行工程(Concurrent Engineering)由美國國防部于1982年提出，美國波音公司在1994年波音777飛機研制時采用了并行工程的理念，并在737-X上得到進一步應用和優(yōu)化[3]。與波音767飛機相比，波音777飛機研制周期縮短了13個月，實現(xiàn)了5年內(nèi)從設計到試飛的一次性成功[4]。

基于并行工程的設計理念，DFX(Design For X)技術應運而生。DFX技術本身不是設計方法，不直接產(chǎn)生設計方案，而是一種理念、手段和工具，在產(chǎn)品概念設計和詳細設計階段就充分考慮產(chǎn)品生命周期中各個環(huán)節(jié)的要求，包括制造工藝要求、裝配工藝要求、測試要求、檢測要求、包裝和運輸要求、維修要求、環(huán)保要求等，使得產(chǎn)品設計與其他要求之間緊密聯(lián)系、相互影響，將其他要求反應到產(chǎn)品設計中，從而保證產(chǎn)品以較低的成本、較高的質(zhì)量和較短的產(chǎn)品開發(fā)周期進行開發(fā)。目前，常用的DFX技術如圖2所示[5]。

圖2 常用的DFX技術

由于民機復合材料結(jié)構(gòu)大型化和整體化的特點，民機復合材料結(jié)構(gòu)主要采用面向制造和裝配設計(Design For Manufacturing and Assembly，簡稱DFMA)。

對于一般民機復合材料結(jié)構(gòu)設計，DFMA主要著重考慮[2]：保證構(gòu)件的工藝質(zhì)量，避免鋪層設計不合理而導致零件在固化過程中產(chǎn)生翹曲變形、開裂和分層；采用合理的連接設計，盡量少用機械緊固件和連接件，從而減少機械加工和裝配工作量，降低制造成本，減輕零組件重量；結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有通暢性和可達性，便于裝配和維修等。

本文在以往學者研究和其他行業(yè)、領域應用的基礎上，提出基于DFX的民機復合材料結(jié)構(gòu)設計，包括面向制造(DFM)、裝配(DFA)、檢測(DFI)、維修(DFS)、環(huán)境(DFE)、成本(DFC)、可拆卸(DFD)和回收(DFR)的民機復合材料結(jié)構(gòu)設計。

1 面向制造的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFM)

復合材料結(jié)構(gòu)設計，必須考慮零件的制造可行性，考慮采用自動化制造技術，以降低人為因素影響，提高零件制造質(zhì)量。

(1)在對壁板、梁等零件進行尺寸定義時，需要考慮熱壓罐尺寸(長度和直徑)限制[6]。

(2)層壓板設計的首要原則是采用對稱均衡鋪層，以避免零件在固化過程中發(fā)生翹曲，如圖3所示。

圖3 層壓板鋪層設計考慮

(3)對于鋪層少于16層的層壓板，相鄰鋪層(織物除外)之間的夾角應大于60 °，避免制造缺陷對疲勞強度的影響[6]。

(4)采用自動鋪帶技術時，應考慮自動鋪帶機鋪層交錯拼接間距的限制。

(5)鋪層遞減區(qū)間距應大于壓輥寬度，以確保預浸料可壓實。

(6)鋪層遞減區(qū)最大斜率應考慮零件出廠無損檢測設備限制。

(7)縱向構(gòu)件(如長桁、加強筋和梁緣條等)和橫向構(gòu)件(如肋等)與鋪層遞減區(qū)斜坡邊緣的距離，應覆蓋零件位置公差。

2 面向裝配的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFA)

復合材料結(jié)構(gòu)應盡可能采用共固化、共膠接等整體成形技術，以減少裝配工序，降低裝配效率和成本。此外，還應考慮采用犧牲層、工業(yè)機器人制孔及在線檢測、激光測量和機器人手臂定位等先進的裝配技術，以提高制孔、裝配的質(zhì)量、精度和效率。

細節(jié)設計時，還應考慮以下幾點。

(1)下陷區(qū)緊固件安裝時，應考慮楔形填充物最小空間限制。

(2)緊固件選擇應考慮其安裝最大斜率，不同緊固件可適應的最大角度會有不同。

(3)壁板設計應考慮裝配和拆卸時工程人員的踩踏載荷，避免踩踏引起長桁端頭脫粘[7]。

3 面向檢測的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFI)

本文中的“面向檢測”，主要指結(jié)構(gòu)件在使用維護階段的檢測，包括可視可達、可視不可達、可達不可視、不可視不可達。復合材料結(jié)構(gòu)應設計成可達、可檢。

3.1 可達性設計

(1)檢修口設計時，應考慮開口形狀、尺寸，裝配、檢查、修理或更換等操作所使用的工具。文獻[8]給出了民機復合材料機翼維修開口的常用尺寸。

(2)應考慮不同國家和地區(qū)人種的體型特征，以確保飛機維修工程師在修理緊固件安裝、檢測維護時的可達性。

3.2 可檢性設計

根據(jù)現(xiàn)有的無損檢測手段，可檢性設計主要考慮以下幾點。

(1)變厚度區(qū)應設計成斜坡(斜率一般不高于1 ∶10)，便于超聲檢測。

(2)翼梁和長桁R角半徑不小于3 mm。

(3)R角上相鄰緊固件邊緣距離應大于10 mm。

文獻[6]還給出了一些難以檢測的設計示例。

4面向維修的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFS)

4.1 定義飛機結(jié)構(gòu)的易損區(qū)和非易損區(qū)

(1)對于飛機機翼、尾翼前緣等易損區(qū)，應考慮三次(含)以上擴孔的維修需求。

(2)其他結(jié)構(gòu)一般屬于非易損區(qū)，應考慮至少兩次擴孔的維修需求。

4.2 復合材料結(jié)構(gòu)維修性設計

(1)修理方案滿足強度要求。

(2)長桁設計時，考慮采用機械連接修理時的緊固件和維修補片安裝空間。

(3)應考慮采用機械連接修理時，緊固件安裝的緊固件間距、邊距，角邊距考慮裝配和修理緊固件安裝等需求。

(4)從修理實施的角度，應避免使用特殊的維修工具。

5 面向環(huán)境的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFS)

面向環(huán)境的復合材料結(jié)構(gòu)設計和綠色制造，涵蓋從產(chǎn)品設計、材料選用、采購、加工、運輸、儲存、包裝、使用、回收利用，直至最終處置生命周期過程(圖4)[9]。

圖4 制造企業(yè)綠色供應鏈基本流程圖

據(jù)統(tǒng)計，被用來制造飛機零部件的原材料中，通常有90%在制造過程中成為了邊角余料。因此，從結(jié)構(gòu)設計的角度，減少廢料率是減少復合材料制造對環(huán)境影響的最好辦法[10]。

(1)應考慮預浸料貯存期限制，在操作壽命結(jié)束前完成鋪貼和預壓實，在力學性能壽命結(jié)束之前開始零件固化。

(2)在蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)設計時，應采用蜂窩剪裁、拼貼設計等措施，降低廢料率。

6 面向成本的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFC)

復合材料與結(jié)構(gòu)同時形成的特點，使得復合材料更容易做成整體結(jié)構(gòu)。對于飛機結(jié)構(gòu)而言，采用整體成形工藝，通過一次或多次固化將長桁與蒙皮成形為一個整體結(jié)構(gòu)，可以大量減少零件和緊固件數(shù)量、裝配工時，從而降低裝配成本。文獻[11]給出了國內(nèi)航空復合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的成本比重。其中：裝配占45%，預浸料鋪疊占25%，材料占15%，固化占10%，緊固工藝占5%。

由此可見，基于DFC的復合材料結(jié)構(gòu)設計采取的主要措施如下。

(1)采用共固化、膠接共固化或二次膠接等工藝，減少裝配工序，降低裝配成本。

(2)采用液體成型(RTM、RFI)、非熱壓罐成型(OOA)等低成本制造工藝。

(3)統(tǒng)一梁、肋加強筋構(gòu)型，降低模具采購成本。

(4)減少緊固件選用規(guī)格，降低采購成本。

(5)綜合考慮重量、制孔成本、緊固件采購成本、裝配效率等因素，緊固件間距應采用合理區(qū)間的較大值。

(6)采用國產(chǎn)輔料(節(jié)約成本的貢獻率可達34%)[12]。

7 面向可拆卸的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFD)

進行易拆卸性設計時，應主要考慮：減少拆卸時間，減少緊固件數(shù)量，考慮拆卸吊點，以及避免零件拆卸時本身的損壞和損壞產(chǎn)品的其他結(jié)構(gòu)等要求。

基于DFD的復合材料結(jié)構(gòu)設計，需考慮以下幾點。

(1)翼面前、后緣，翼尖罩等易損件，應通過可拆卸面板或口蓋設計，提高結(jié)構(gòu)可達性。

(2)翼梢小翼、方向舵，密封件和油箱口蓋等互/替換件應易于拆卸。

(3)大型可拆卸面板的尺寸和重量應確保兩人可操作。

(4)檢修面板所有緊固件應相同，以便于安裝和拆卸。

(5)根據(jù)航空公司維護的需求，檢查面板和口蓋拆卸或打開時間應少于5 min。

8 面向回收的復合材料結(jié)構(gòu)設計(DFR)

目前，民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)主要是熱固性復合材料。由于熱固性樹脂基復合材料的樹脂固化物不溶、不熔，且性能穩(wěn)定，不易降解，因而回收較困難；而碳纖維制造成本高，且在使用后無法被降解，退役或者損壞后只能通過掩埋或者焚燒的方式進行處理，資源浪費情況嚴重，會對環(huán)境造成污染。

針對熱固性復合材料，可以使用物理法、熱解法以及超臨界流體法等將復合材料分解、壓碎，從中獲得干凈的碳纖維，并且可以保留其原始的性能，不影響再次使用。復合材料的回收再利用技術依然處在探索和發(fā)展的階段，相信在不久的將來會得到更大的進步，從而進一步提高碳纖維的回收率和利用率[2]。

在設計時，復合材料零件的噴漆和涂層選擇應考慮材料的回收處理和再利用。同時，可回收零件應清晰標識，以便拆卸、分類和處理。

與目前民機常用的熱固性樹脂基復合材料相比，熱塑性樹脂基復合材料具有成型周期短、生產(chǎn)效率高，儲存環(huán)境要求寬松，可重復加工、廢舊制品可再生利用，以及損傷容限性能好、設計自由度大等優(yōu)點[2]。隨著新型芳香族熱塑性樹脂基體的不斷發(fā)展，熱塑性復合材料在航空航天、交通運輸、醫(yī)療、電子、機械等領域得到了越來越廣泛的發(fā)展和應用，成為復合材料領域異常活躍的研究開發(fā)熱點，在民機特別是大型民機上應用成為發(fā)展趨勢之一，也是基于DFR復合材料結(jié)構(gòu)設計的首選材料。

9 DFX的實施

從國內(nèi)外的經(jīng)驗來看，并行工程并不單純是一個科學技術問題，它更主要是一個組織問題和企業(yè)文化問題[3]。因此，基于并行工程理念的DFX實施，最關鍵就是要采取集成產(chǎn)品團隊(Integrated Product Team，IPT)組織模式。

采取IPT組織模式，以交付物為導向，按構(gòu)件、分系統(tǒng)、任務劃分作戰(zhàn)單元，每個作戰(zhàn)單元都包括所有涉及的專業(yè)，小循環(huán)協(xié)作，有利于提高效率和質(zhì)量、降低成本，從而實現(xiàn)產(chǎn)品、技術集成。采取的措施主要包括以下幾項。

(1)建立統(tǒng)一工作平臺。打破集團、單位、部門、專業(yè)壁壘，實現(xiàn)跨專業(yè)、跨單位、跨集團甚至跨國界并行和協(xié)同，以及各層級之間有效溝通，提高產(chǎn)品、技術集成的效率和質(zhì)量，降低成本。

(2)橫向?qū)I(yè)和縱向攻關組的“矩陣式”管理模式。這既可相互支持形成能力，又可相互制約確保質(zhì)量。同時，還可以明晰各崗位的人員資質(zhì)和數(shù)量需求，從而根據(jù)項目任務和進度合理調(diào)配人力資源，及時“查缺補漏”。根據(jù)專業(yè)方向和專業(yè)技能有針對性地提出外部人力需求，彌補現(xiàn)有團隊人力不足和技術專長缺項。

(3)以集中辦公為主的工作方式?？梢员ＷC外部IPT工作可控，任何涉及零部件結(jié)構(gòu)設計和制造的問題，包括技術細節(jié)、制造約束、周期和計劃等，都在第一時間得到溝通，有效推進結(jié)構(gòu)設計制造一體化。

(4)根據(jù)人員資質(zhì)制定固定的工時費用標準。根據(jù)實際所需人員工時測算經(jīng)費，在滿足供應商資質(zhì)、項目質(zhì)量和進度要求的前提下，供應商報價的可比性更強，可以有效降低成本。與外包性質(zhì)相比，項目的經(jīng)濟性更高。

10 結(jié)論

面向制造、裝配、檢測、維修、環(huán)境、成本、可拆卸和回收的復合材料結(jié)構(gòu)設計各有側(cè)重，也相互聯(lián)系，需要從產(chǎn)品全壽命期的角度進行權(quán)衡。

基于并行工程理念的DFX實施，最主要是組織和理念的轉(zhuǎn)變，關鍵是要采取IPT的組織模式。