飛機裝配工裝復合材料結構設計技術

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關鍵詞：裝配工裝；復合材料；材料性能

近年來，隨著飛機產(chǎn)品制造精度和裝配質量要求的不斷提升，飛機制造企業(yè)需要實現(xiàn)更高精度的產(chǎn)品裝配，裝配工裝是飛機裝配的基礎，提高裝配工裝定位精度是實現(xiàn)產(chǎn)品高精度裝配的重要保障。

1裝配工裝材料研究

傳統(tǒng)的裝配工裝主要由Q235鋼材、2A12鋁材、6061鋁材等金屬材料制作，金屬材料具有加工性好，拉伸模量較高的優(yōu)點，所制造的固定工裝在恒定溫度下具有穩(wěn)定的尺寸精度。隨著飛機產(chǎn)品大量應用復合材料，零件的外形精度和尺寸精度要求也不斷提高，傳統(tǒng)工裝所使用的金屬材料和產(chǎn)品使用的復合材料存在的熱膨脹線性系數(shù)差異，使得工裝結構在不同溫度下與產(chǎn)品結構產(chǎn)生變形量差異，影響產(chǎn)品的定位精度。同時，隨著飛機裝配技術的不斷發(fā)展，新的生產(chǎn)線裝配方案要求裝配工裝在生產(chǎn)過程中需要轉站移動，傳統(tǒng)工裝框架所采用的Q235鋼材密度大，工裝總重量大，移動難度大，且移動過程安全性差。為了解決上訴問題，研究使用復合材料作為裝配工裝主體材料具有現(xiàn)實意義。目前，鮮見全復合材料裝配工裝的應用，但有資料顯示，國外機床設備廠家已經(jīng)較普遍的采用復合材料大跨度橫梁結構解決金屬材料橫梁缺點。丹麥DENCAM公司制造風機葉片模具加工用大跨度設備橫梁（見圖1）采用復合材料圓管搭建成的桁架結構，該結構能夠有效降低橫梁總重量，允許選用更小功率的電機實現(xiàn)橫梁的運動，同時，降低橫梁運動慣性。 復合材料碳纖維圓管作為復合材料設備橫梁主要基礎材料，主要原因是機器加工的碳纖維圓管具有更低的樹脂含量，力學性能優(yōu)異，成型過程非人工鋪貼，質量更穩(wěn)定，成本相對更低。但是，由碳纖維圓管組成的橫梁結構截面尺寸大，通常高度和寬度達到長度的1/4，而飛機裝配工裝的結構較多地考慮產(chǎn)品和操作人員操作空間，以碳纖維圓管構成的桁架結構做框架，通常難以滿足較小的空間尺寸要求，并且單純的碳纖維圓管桁架結構對可設計性限制較大，定位器與其連接結構復雜。裝配工裝的結構特點決定復合材料設計過程需要考慮在原有金屬結構基礎上做材料的替換。

2材料性能分析

本文重點對設計性更強的預浸料做材料性能分析，以材料性能為關注點，在此分析基礎上，實際應用過程對復合材料使用量較大的結構，考慮制造工藝和制造成本，可以采用機器拉擠成型的基材，減少人工鋪貼工作量，降低制造難度和成本。傳統(tǒng)工裝主體框架通常采用Q235鋼材或者2A12鋁材，其優(yōu)點在于成本低廉，拉伸模量較高，加工性好，但密度和熱膨脹線性系數(shù)都較高。隨著結構膨脹特性的影響不斷被重視，近年來，部分復合材料工裝模具將INVAR合金應用到結構型面上，但因價格高昂，加上力學性能和物理性能無優(yōu)勢，僅在一定范圍內(nèi)使用。分析是否工程化生產(chǎn)和成本等因素，選定T系列預浸料和某型玻璃纖維預浸料與常用金屬材料Q235鋼材和2A12鋁材做力學性能和物理性能比較，材料各項數(shù)值見表1。（1）拉伸模量對比分析。拉伸模量是材料受力后抵抗彈性變形的力學性能，其數(shù)值高低影響結構承載后變形量，大部分裝配工裝結構都需要考慮承載后的變形量大小，材料拉伸模量是影響裝配工裝結構穩(wěn)定性的重要參數(shù)。通過力學性能比，某型玻璃纖維預浸料拉伸模量54Gpa低于Q235鋼材，為2A12鋁材的75%，不適合作為裝配工裝的主體材料；T300預浸料、T700預浸料、T800預浸料的拉伸模量相近，主要力學性能提升為拉伸強度，從成本考慮僅分析T300預浸料。T300預浸料的拉伸模量130Gpa介于Q235鋼材和2A12鋁材之間，為Q235鋼材的62%，可以作為裝配工裝結構主體材料，但對現(xiàn)有裝配工裝做Q235鋼材的復合材料替換設計時，相同截面尺寸需要考慮加大結構壁厚。（2）拉伸強度對比分析。拉伸強度是材料抵抗斷裂和過度變形的力學性能，其數(shù)值高低反映結構能承載的最大拉伸應力[1]。T300預浸料和某型玻璃纖維預浸料拉伸強度普遍大幅高于Q235鋼材和2A12鋁材。對于裝配工裝設計結構通常承載僅為飛機產(chǎn)品，受力較小，遠不至于產(chǎn)生斷裂和過度變形，傳統(tǒng)Q235鋼材和2A12鋁材構成的結構能夠滿足性能要求，T300預浸料和某型玻璃纖維預浸料亦能滿足，當然，設計時，需要考慮纖維方向。（3）密度和熱膨脹線性系數(shù)對比分析。通過對比，T300預浸料和某型玻璃纖維預浸料的密度低于Q235鋼材和2A12鋁材，采用復合材料構成的裝配工裝結構通常能夠起到良好的減重功能。T300預浸料的熱膨脹線性系數(shù)大幅低于Q235鋼材和2A12鋁材，具有良好的熱穩(wěn)定性，某型玻璃纖維預浸料的熱穩(wěn)定性優(yōu)勢不顯著。

3結語

復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其具有高比強度、高比模量、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、優(yōu)越的抗震動衰減性能、耐疲勞性、熱穩(wěn)定性等性能，近年來，廣泛地應用于航空航天、交通運輸、風力發(fā)電、體育用品和管道等領域。隨著航空制造業(yè)更高效率、更高質量的追求，復合材料產(chǎn)品更加成熟，成本呈降低趨勢，開展復合材料裝配工裝設計技術研究，拓展復合材料在飛機裝配過程的應用，有利于解決目前傳統(tǒng)材料工裝結構存在的技術難題。

參考文獻：

[1]阿蘭•貝克，斯圖爾特•達特恩，唐納德•凱利.飛機結構復合材料技術，航空工業(yè)出版社，2015.

[2]劉春勻.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].航空工業(yè)出版社，2010.

作者：耿育科 單位：航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司制造工程部