浅析民用航空零部件制造业中弹塑性力学的应用

罗道坚

摘 要：简要介绍了我国民用航空制造业的现状，民用航空零件制造业的现状和技术要求，弹塑性力学在航空零件制造中的应用，弹塑性力学与CAE/CAM的融合对航空零件制造企业的发展的促进作用。

关键词：民用航空制造业；弹塑性力学

民用航空零部件制造主要是指用于民用航空产品上的零件、部件、仪表、机载设备、液压系统和附件等各种零配件的制造。

《国务院关于促进民航业发展的若干意见》的颁布为通用航空产业带来了空前的发展机遇，促使多方投资经营通用航空制造业、航空维修以及其他民航相关项目，极大的促进了我国紧急救护、工业航空、公务航空、私人航空等民用航空产业的发展。

现代民用航空飞机为了达更高的飞行速度、更灵活的机动性、更大的负载、更远的航程、更优的稳定性，积极的采用新技术、新材料，使飞机零部件质量越来越轻、结构型面越来越复杂、尺寸越来越大、制造精度越来越高。

航空零部件除大量采用铝合金材料外，还广泛运用高强度钢、钛合金、耐高温合金、工程陶瓷和复合材料等，为了提高这些昂贵材料的航空零部件的强度和可靠性，进一步节约原材料，提高生产效率，弹塑性力学便越来越多的用在了航空制造业中。

1 航空制造业的产品制造和技术分析

1）航空零部件因承受多轴复杂载荷、几何突变、零件的缺口导致相关区域的应力状态极为复杂，对零件的设计、制造要求更高。

2）航空飞机的框、壁板、翼肋等零件采用薄壁设计，以减小飞机的重量。这些薄壁构件形状复杂、精度要求高、尺寸相对较大、刚度相对较弱，由于对薄壁构件变形机理研究还不够深，在加工的过程中，无法预测加工零件的变形情况并优化工艺参数，导致加工零件误差大。

3）航空制造业中各类零部件的尺寸、结构、数量、规格悬殊较大，而且生产批量小、生产周期短。对制造企业的工艺系统、工艺装备要求较高。

4）很多现代航空制造业的零件采用无余量装配，故而对零件的加工精度要求非常高，进一步加大了加工的难度。

5）航空制造业较多地采用整体结构设计的零件，这些零件在切削加工过程中需要去除大量的材料，极大的增加了切削加工量。

6）轻量化的零件通常采用深腔、薄壁结构，导致结构刚性较弱，加工过程中非常容易导致加工变形。

2 弹塑性力学的在我国民用航空制造业的应用

近年来，我国民用航空制造技术保持较高的发展速度，但相较于发达国家，整体水平仍然很低。表现在，从业者普遍依赖于从业经验，切削刀具及切削参数等工艺参数的选用缺乏科学依据；行业整体对先进机床的性能及加工技术掌握不足，数控加工的应用水平较低；没有建成完善的航空制造数据库，先进制造单元不能充分协同配合，無法充分发掘和利用先进制造技术的优势。

弹塑性力学在国外的企业的运用已经基本普及，而国内（尤其西部地区）进行材料弹塑性力学分析的应用较少，欲加快中西部追赶东部沿海地区、国内追赶国际的步伐，需重视弹塑性力学在制造业的应用：

1）运用弹塑性力学对对航空飞行器机身的梁、框、肋、壁板等薄壁多腔的铝合金或钛合金框架结构的材料零件的进行性能参数分析，建立切削力有限元模型进行模拟和测试，可以减少原材料的消耗，降低研发成本。

2）在运用CAE/CAM设计的阶段，运用弹塑性力学对高温合金或耐高温的复合材料制成的发动机压气机、燃烧室、涡轮等关键零件和部件进行分析和优化，可以提高此类异型环状结构零件的产品刚度，提高航空飞行器的安全性，缩短研发周期，减少企业运营的成本。

3）我国部分制造型企业凭从业者经验或使用试错法编制加工工艺，难以保证加工零件质量的稳定性，容易导致加工零件报废，造成企业的损失。运用CAE/CAM结合弹塑性力学分析易变形进行的薄壁整体结构件，构建“加工变形与夹紧顺序”优选模型，优化走刀路径、进给速度、吃刀量，调整加工工艺顺序，选取合适的夹紧力，进而减少试验次数，保证加工产品的质量，提高企业生产的效率。

4）CAE/CAM结合弹塑性力学、金属加工工艺学、材料等多门学科建立有限元模型开发产品，可以较为准确的模拟加工过程，尽可能将产品的缺陷消除在模擬加工生产阶段，缩短产品设计和生产周期。虚拟制造完成装备与工艺的紧密结合，提高企业经济效益，提升企业竞争力和企业形象。

3 总结

数值模拟技术在航空制造业中应用不断深入，但也仅限于某些中大型企业上，部分为中大型航空飞机做配套服务的小企业仍然极少应用有限元分析。只有当中小型企业由代工转型为参与研发，重视数值仿真计算，培养弹塑性变形研究和有限元分析的良好氛围，才能更快地推进“中国制造”向“中国智造”的转型的进程，才有可能在国际航空制造行业竞争中站稳脚跟，进一步取得领先地位和突破性成果。

参考文献：

[1] 赵均海.弹性力学及有限元.武汉理工大学出版社.

[2] 徐芝纶.弹性力学.高等教育出版社.

[3] 施普尔，克劳舍.虚拟产品开发技术.机械工业出版社.

[4] 韩志仁，郑晖，贺平.飞机制造技术基础·机械加工.北京航空航天大学出版社.