基于DFX的民用飛機(jī)翼身整流罩設(shè)計(jì)

羅貴騫

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110100）

0 引言

飛機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)高度復(fù)雜、涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)工程。在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員除了首先要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、界面協(xié)調(diào)、材料、質(zhì)量等基本的性能要求，還要考慮系統(tǒng)設(shè)備的安裝、零件制造工藝性、裝配工藝性、維護(hù)及修理、質(zhì)量保證、成本、項(xiàng)目進(jìn)度等方面的因素。為了得到更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)人員需要將眾多要求、考慮因素、技術(shù)參數(shù)綜合分析、權(quán)衡，于是形成了面向產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)理念，即DFX（Design For X）理念。

1 DFX設(shè)計(jì)理念概念及意義

DFX是“Design For X”的簡(jiǎn)稱(chēng)，指面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)，這里的“X”是指產(chǎn)品全生命周期中的任一環(huán)節(jié)，比如制造、裝配、維修等[1]。每一個(gè)環(huán)節(jié)都是DFX的一個(gè)分支，也可以用代表產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力或決定產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的因素作為DFX的一個(gè)分支。

DFX設(shè)計(jì)理念主要的分支如下[2]：1）面向制造的設(shè)計(jì)（DFM）；2）面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）；3）面向質(zhì)量的設(shè)計(jì)（DFQ）；4）面向檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)（DFI）；5）面向維修的設(shè)計(jì)（DFS）；6）面向環(huán)境的設(shè)計(jì)（DFE）；7）面向回收的設(shè)計(jì)（DFR）；8）面向成本的設(shè)計(jì)（DFC）。

DFX本身是一種設(shè)計(jì)理念，在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段就充分考慮產(chǎn)品生命周期中各個(gè)環(huán)節(jié)的要求，將其他要求反映到產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中，不斷地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，盡可能地提前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，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(kāi)發(fā)、制造周期交付至客戶(hù)手中。

綜上所述，運(yùn)用DFX設(shè)計(jì)理念，能夠全方位、多維度地對(duì)翼身整流罩進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證最終方案全面地滿(mǎn)足各方面的設(shè)計(jì)要求。

2 翼身整流罩的結(jié)構(gòu)方案

翼身整流罩是指包覆機(jī)翼與機(jī)身之間連接部位的殼體結(jié)構(gòu)，起氣動(dòng)外形整流和為各類(lèi)系統(tǒng)提供相對(duì)封閉的安裝和運(yùn)行空間的作用。翼身整流罩通常由框架和壁板組成，通過(guò)拉桿和邊條連接于機(jī)身下部，內(nèi)部容納的系統(tǒng)包括環(huán)控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等。翼身整流罩的設(shè)計(jì)需要與各相關(guān)系統(tǒng)協(xié)調(diào)進(jìn)行，基于系統(tǒng)安裝和檢修的要求對(duì)壁板進(jìn)行分塊和布置開(kāi)口，包括不同用途的維修口蓋、快卸門(mén)等，框架在必要時(shí)會(huì)對(duì)一些系統(tǒng)提供次要的連接支持。

圖1 翼身整流罩結(jié)構(gòu)

通常在概念設(shè)計(jì)階段，翼身整流罩左右各布置3根縱梁，同時(shí)每2個(gè)框距布置1個(gè)框，為方便與機(jī)身協(xié)調(diào)，翼身整流罩框站位與機(jī)身框站位相同。拉桿用于將翼身整流罩框架連接于機(jī)身上，在翼身整流罩一側(cè)優(yōu)先連接于框梁交匯處，在拉桿數(shù)量不足時(shí)，再選擇在未交匯的位置布置連接點(diǎn)。拉桿在機(jī)身一側(cè)連接于框外緣條或縱向件上。邊條用于翼身整流罩壁板與機(jī)身的連接，使用螺栓連接并固定于機(jī)身壁板之上，邊條與翼身整流罩則使用托板螺母，保證整流罩壁板方便拆卸。

翼身整流罩雖為次承力結(jié)構(gòu)，但其處于機(jī)身下部且需要與機(jī)身、外翼翼盒、中央翼盒、系統(tǒng)設(shè)備等眾多界面進(jìn)行協(xié)調(diào)，根據(jù)DFX設(shè)計(jì)理論，翼身整流罩在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度要求的情況下，還需要面向制造、裝配、維修、成本等環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，需要控制結(jié)構(gòu)腐蝕、提高制造裝配工藝性、協(xié)調(diào)多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的布置，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的維護(hù)性。

3 面向制造的設(shè)計(jì)（DFM）

3.1 框梁

通常情況下，翼身整流罩框梁內(nèi)緣條除在框梁交匯處彼此連接以外，沒(méi)有其他配合要求，所以?xún)?nèi)緣條可設(shè)計(jì)成與腹板垂直的直紋面，以減少閉角情況，只在框梁交匯處局部修形以安裝連接角片。

除特殊要求以外，框梁等機(jī)加件應(yīng)盡量選取統(tǒng)一的轉(zhuǎn)角半徑，限制不同轉(zhuǎn)角半徑的數(shù)量，以減少加工工序和刀具的更換次數(shù)[4]。

3.2 壁板

翼身整流罩位于非承壓區(qū)，壁板主要承受氣動(dòng)載荷，為保證剛度同時(shí)質(zhì)量最輕，翼身整流罩壁板通常采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，面板采用織物形式的碳纖維或玻璃纖維。

圖2 框梁內(nèi)緣條配合

在進(jìn)行壁板細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)控制蜂窩高度，避免成型時(shí)壓塌，蜂窩頂部、側(cè)部邊緣做圓角防止蜂窩芯和預(yù)浸料發(fā)生褶皺[5]，蜂窩斜削角控制在25°左右。

設(shè)計(jì)壁板分塊時(shí)，除滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)備布置要求，還要考慮單塊壁板的幾何尺寸或者形狀要符合復(fù)材制造能力，不能有礙進(jìn)罐和吹風(fēng)。如圖3所示的壁板，當(dāng)尺寸過(guò)大，只能沿Y方向推入熱壓罐時(shí)，壁板沿Y方向的彎曲將阻礙進(jìn)風(fēng)，影響加熱效率，所以該壁板需進(jìn)一步分塊。

圖3 壁板需進(jìn)一步分塊

4 面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）

翼身整流罩從面向裝配的設(shè)計(jì)角度，應(yīng)做到[6]：1）將相似的零件設(shè)計(jì)成一個(gè)零件，盡量減少同類(lèi)零件數(shù)量；2）減少緊固件數(shù)量和類(lèi)型；3）避免零件裝配過(guò)程中發(fā)生干涉；4）考慮與機(jī)身的裝配是否可達(dá)；5）考慮空間是否滿(mǎn)足常規(guī)工具的使用；6）考慮裝配過(guò)程是否需要輔助工具，為輔助工具提供額外空間；7）進(jìn)行容差分析，給出合理的基準(zhǔn)和零件公差要求。

5 面向維修的設(shè)計(jì)（DFS）

面向維修的設(shè)計(jì)是以滿(mǎn)足用戶(hù)需求為前提，提高產(chǎn)品的維修性，使得產(chǎn)品能以最小的維修資源（維修時(shí)間、維修人力、維修費(fèi)用、維修設(shè)備等）消耗獲得最大的可用性的設(shè)計(jì)理念[7]。A380飛機(jī)就是基于面向維修的設(shè)計(jì)理念，提出了要保證不需要有別于現(xiàn)有飛機(jī)的特殊維修技巧的設(shè)計(jì)要求[8]。

民用飛機(jī)翼身整流罩在面向維修進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需關(guān)注如下幾點(diǎn)：

1）檢修門(mén)/口蓋的位置及尺寸。檢修門(mén)/口蓋的位置必須保證檢修人員能夠方便地觀察或操作系統(tǒng)設(shè)備，如果要求檢修人員部分身體進(jìn)入整流罩檢修，則門(mén)/口蓋的尺寸必須滿(mǎn)足要求且不會(huì)發(fā)生剮蹭。為達(dá)到上述要求，設(shè)計(jì)階段需利用人機(jī)工程分析技術(shù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

2）單塊壁板質(zhì)量。對(duì)于整流罩壁板受石子撞擊損壞維修問(wèn)題，以及系統(tǒng)設(shè)備維修時(shí)可能需要拆卸壁板的情況，設(shè)計(jì)人員在壁板分塊設(shè)計(jì)時(shí)還需控制單塊壁板質(zhì)量。例如A220飛機(jī)翼身整流罩設(shè)計(jì)要求中，規(guī)定了單塊壁板最大質(zhì)量不應(yīng)超過(guò)36.287 kg（80 lb），以便于兩人進(jìn)行維護(hù)。

6 面向成本的設(shè)計(jì)（DFC）

面向成本的設(shè)計(jì)是將已有設(shè)計(jì)方案不斷改進(jìn)的行為，設(shè)計(jì)人員需要不斷地思考可能降低現(xiàn)有成本的方案。為了切實(shí)得到實(shí)現(xiàn)相同功能的低成本方案，設(shè)計(jì)人員使用檢查單不斷進(jìn)行自查是行之有效的方法。

表1所示為利用設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)歸納的面向成本設(shè)計(jì)檢查單。

表1 面向成本設(shè)計(jì)檢查單

依據(jù)此檢查單對(duì)民用飛機(jī)翼身整流罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，可以得到以下關(guān)注點(diǎn)：

1）框梁骨架。整流罩屬于次承力結(jié)構(gòu)，框梁可以選擇簡(jiǎn)單易加工的結(jié)構(gòu)形式。除了機(jī)加以外，在載荷水平低、曲率變化小的位置的框梁可采用鈑金件或鈑金件與型材件的組合件來(lái)降低材料浪費(fèi)和提高批產(chǎn)能力。

2）材料。包括框梁、支座在內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)可優(yōu)先選用常規(guī)、易采購(gòu)的材料。

3）拉桿支座?？梢栽O(shè)計(jì)獨(dú)立的拉桿支座連接于框梁之上，避免將拉桿支座與框梁一體機(jī)加，避免維修困難。

4）充分利用IPDT團(tuán)隊(duì)（聯(lián)合設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)）進(jìn)行翼身整流罩設(shè)計(jì)，及時(shí)接收各專(zhuān)業(yè)需求，避免無(wú)效的設(shè)計(jì)方案導(dǎo)致返工。

5）多利用模擬仿真技術(shù)進(jìn)行分析，例如分析進(jìn)氣管、排氣管的擋板等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提前發(fā)現(xiàn)干涉或行程問(wèn)題，避免在實(shí)物產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)發(fā)生簡(jiǎn)單錯(cuò)誤。

6）避免使用專(zhuān)用維修工具[9]。

7 面向系統(tǒng)安裝的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

翼身整流罩的作用之一就是包裹系統(tǒng)設(shè)備，為其提供安裝和運(yùn)行空間，系統(tǒng)設(shè)備布置方案對(duì)結(jié)構(gòu)布置方案有重要影響，所以翼身整流罩在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)時(shí)必須面向系統(tǒng)安裝的需求，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)反復(fù)，比如框梁間距過(guò)小，無(wú)法在其間安裝設(shè)備或開(kāi)口；框梁高度過(guò)高，導(dǎo)致與設(shè)備管路干涉等問(wèn)題。

基于上述因素，翼身整流罩框梁布置時(shí)應(yīng)盡早引入系統(tǒng)布置輸入，保證框梁位置整體合理，避免分段移動(dòng)后，框梁不連續(xù)的區(qū)域過(guò)多，降低載荷傳遞效率。

結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人員需要盡早從系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)人員獲取以下信息：1）翼身整流罩內(nèi)將要布置哪些設(shè)備；2）系統(tǒng)設(shè)備布置位置（可預(yù)計(jì)）；3）哪些設(shè)備需要整流罩開(kāi)口；4）設(shè)備檢修頻率；5）設(shè)備的尺寸（可估值）或包絡(luò)體；6）設(shè)備對(duì)應(yīng)的活動(dòng)門(mén)（如RAT門(mén)、排氣管擋板）的驅(qū)動(dòng)器是否安裝于翼身整流罩骨架上。

8 DFX各分支的設(shè)計(jì)權(quán)衡

雖然翼身整流罩可以做到面向DFX的多個(gè)分支進(jìn)行設(shè)計(jì)，但各分支的設(shè)計(jì)要求和得到的方案并不是孤立存在的，它們可能是相互促進(jìn)的，也可能是相互制約的關(guān)系，舉例如下：

1）DFA與DFM的關(guān)聯(lián)。通過(guò)容差分析給出合理的公差值，可能降低零件的加工難度。

2）DFA與DFM的制約。零件合并減少了零件數(shù)量，提高了裝配效率，但可能也同時(shí)增加了零件制造難度。

3）DFS與DFA的制約。出于維修考慮，翼身整流罩按質(zhì)量分成更多小塊的壁板，但增加了零件數(shù)量，降低了裝配效率。出于維修可達(dá)考慮，翼身整流罩加大了門(mén)/口蓋的開(kāi)口尺寸，但可能削弱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度。

4）DFC與其他分支的制約。出于成本考慮，更換的零件材料可能在相同結(jié)構(gòu)尺寸情況下，性能有一定降低，而為保持同等性能可能導(dǎo)致尺寸增大，質(zhì)量上升。出于成本考慮減少了緊固件種類(lèi)和規(guī)格，但可能導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)加寬以適應(yīng)更大的直徑，導(dǎo)致質(zhì)量上升。

以上舉例充分說(shuō)明了飛機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)權(quán)衡的結(jié)果，要得到滿(mǎn)足各方面要求的設(shè)計(jì)方案，必須形成IPDT團(tuán)隊(duì)，利用權(quán)衡分析，提出多個(gè)備選方案，進(jìn)行詳細(xì)、量化的對(duì)比，在整體上做到平衡[10]。

9 結(jié)論

本研究采用DFX設(shè)計(jì)理論，論述了CR929飛機(jī)翼身整流罩從DFX的多個(gè)分支下的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)舉措，得到如下結(jié)論：1）在面向制造的設(shè)計(jì)時(shí)，要關(guān)注框梁外緣條、轉(zhuǎn)角半徑、壁板分塊尺寸等參數(shù)，邊條采用3D打印成型技術(shù)；2）在面向裝配的設(shè)計(jì)時(shí)，要減少同類(lèi)零件數(shù)量和進(jìn)行容差分析等舉措；3）在面向維修的設(shè)計(jì)時(shí)，要關(guān)注檢修門(mén)/口蓋位置和尺寸、單塊壁板質(zhì)量及托板螺母數(shù)量；4）在面向成本的設(shè)計(jì)時(shí)，要利用檢查單不斷進(jìn)行自查；5）在面向系統(tǒng)安裝的設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)布置階段應(yīng)盡早引入系統(tǒng)布置輸入，保證框梁位置整體合理，避免降低載荷傳遞效率；6）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以針對(duì)DFX的多個(gè)分支進(jìn)行設(shè)計(jì)，但各分支處于相互依存、相互制約的狀態(tài)，設(shè)計(jì)要做到整體的權(quán)衡。