先进复合材料结构装配应用与前景分析

仲小慧，高培轶，刘义明

先进复合材料结构装配应用与前景分析

仲小慧，高培轶，刘义明

（航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西 西安 710089）

基于科学技术的迅猛发展，飞机先进复合材料的运用更加广泛，国家高度重视飞机结构研发，当前复合材料结构装配协调技术具有多项功能，包括结构的整体性、可设计性等。基于此，阐述了关于飞机装配协调技术的研究与分析，简析了当前飞机先进复合材料结构装配协调技术现状，最后提出飞机先进复合材料结构装配协调技术未来发展趋势，以期为装配协调的理论和技术提供借鉴。

复合材料；结构装配；协调技术；发展趋势

1 关于飞机装配协调技术的研究与分析

1.1 协调要素、协调关系

诸多不协调问题存在于飞机装配结构中，严重影响飞机性能。造成飞机装配结构不协调的因素包括零件设计、零件加工、工装制造等。新时期，为有效解决飞机装配中的不协调问题，将提升飞机制造进度作为重要研究课题，通过初步构建协调模型，建立总体的工艺设计方案，将协调内容、协调方法、协调依据纳入方案设计内，并将模型构建建立在产品设计的基础上，利用三维模型呈现飞机产品设计的尺寸和性质[1]，从而体现整体的信息内容，飞机协调模型关系能够直观反映飞机的形状与尺寸，并结合飞机的装配结构，筛选出适合的组件、部件工艺装备，从而满足飞机装配零件中的控制标准。

1.2 装配协调误差与系统开发

在飞机装结构装配中协调模型容易出现零件加工误差，此类误差严重影响着协调模型关系。零件加工主要控制零件的尺寸和零件形状，在飞机零件加工中，变形误差包括很多种，零件的薄壁零件会因为夹持、制孔、重力等因素产生变形的现象。配合定位误差也是飞机结构装配中的误差因素，在零件定位时，装配零件、装配设备要尽可能地贴合实际，并减少零件的平移和转动，将误差控制在最小范围内[2]。重定位误差是在飞机结构中定位时产生的误差，基于零件的不同层次，其制造基准和定位之间存在一定的差异性，从而形成重定位误差。

2 当前飞机先进复合材料结构装配协调技术现状

飞机先进复合材料基于本身属性的不同，受影响的因素也不相同，由于复合材料树脂固化收缩、模具热膨胀系数等因素不同，直接影响复合材料制造后的尺寸精度。如果飞机复合材料部件位置不匹配，将严重影响后续的处理。采取强制的处理方法，金属部件会产生变形的现象，增加了额外的应力，加之复合材料众多的不确定因素，加剧了结构装配协调问题。复合材料的高刚度难以将其制压到合适位置上，对于不符合标准的构件，一般采用加垫补偿的方式进行适当的配合，这增加了经费成本，因此必须提高结构装配协调技术的创新性，减少各项因素影响而产生的误差。

3 飞机先进复合材料结构装配协调技术未来的发展趋势

3.1 数字量化技术

飞机结构装配协调技术中的数字量化技术通常采用的是数字化测量设备，包括经纬仪、激光跟踪仪和激光雷达等。利用经纬仪测量的原理为：在测量水平角和垂直角时可以测量单点的坐标值，并且需要2台以上的经纬仪，便于测量空间交会测量坐标系。激光跟踪仪则能够有效实现角度和单点的三维坐标值测量，其原理是利用激光发射器、传感器、信号接收器、中央处理器进行联动工作，从而提升测量值的精确度。激光雷达主要是用来辅助飞机装配，在测量精度上仅次于激光跟踪仪。

3.2 虚拟装配技术

虚拟装配技术需要的环境状态必须具备可装配性分析评价，其中装配模型主要控制零件的数模，规划结构装配的路径，并从结构装配模型中获取重要的信息数据。虚拟装配技术中包括的研究内容有装配模型信息，其模型是将数字化预装配序列规划为前提。在虚拟制造技术、数字化预装配角度下，装配模型是一种集成化的信息模型，支持产品设计的全周期，涉及装配相关的所有活动，如产品的定义、生产规划以及相关的各个子过程装配。装配序列规划是基于装配序列角度出发，从装配模型推导出装配序列的难点，并具体研究分析装配序列之间的可执行性，确保呈现的分析结果将各序列的完整性和准确性清晰地表达出来，进一步满足装配序列的存储空间要求。装配路径规划指的是零件在数字化装配空间中的动态轨迹，确保最终实现无碰撞、无干涉的装配，进一步提升零件装配性能。在数字化结构装配中的碰撞、干涉检查包括装配路径干涉检验、间隙体积计算等，在3D物理模型的数字化预装配理念下，必须严格控制结构装配中因碰撞产生的相互作用，减少物体之间的重叠现象。

3.3 飞机自动化装配技术

飞机自动化装配技术中包括自动运输技术，在线数字化测量、定位和监控技术，柔性工装技术和建造移动装配生产线，例如波音767飞机采用的移动生产线，如图1所示。通常采用飞机设计测量点设计，通过坐标系统建立，利用激光跟踪仪平台设计，从而更好地提升支撑结构的刚性。对于机身的大部间柔性装配，采用多构型机身段装配平台进行数字量测量定位。对于多点可调支撑结构设计技术而言，其设计的关键点在于需要采用数字量驱动调整方法，利用激光跟踪仪测量定位系统，提升结构支撑结构的刚性设计效果，对于机身部件的调整，采用可调整、数字控制、支撑结构平台控制方法，结合数字量进行测量和定位，采用脉冲移动生产线。多点成形技术的实施是建立在柔性工装设计的基础上，采用离散点的思路以点带面。柔性工装技术优势在于缩短飞机结构装配型架制造周期，可以代替固定的装配型架，并且一套柔性工装能够装配多种飞机零件。

图1 波音767飞机移动生产线

3.4 自动制孔技术

当前采用的制孔技术设备包括自动钻机制技术、机器人制孔技术、精密数控控制孔中心。其中，机器人制孔技术是根据机器人自身的优点，用于复杂的外形结构制孔，比手工制孔效率更高，最大化提升制孔质量，减少石墨粉尘对人体的伤害。精密的数控加工中心制孔采用的是第四代快速装配技术，结构设计呈模块的形式，并对制造提出更高的要求，基于飞机本身的使用寿命对制孔的精度要求更高，在质量要求上更精细化。

4 结构装配协调技术未来发展趋势

4.1 复合材料构建装配偏差与公差设计

复合材料构建装配偏差与公差设计具有自身的特殊性质，主要体现在模型设计时要充分考虑飞机复合材料的向异性、高刚性和脆性，在未来的设计中，要加强复合材料构件的制备工艺，加紧研发构件变形的方法，明确掌握变形规律和统计分布的基础数据。根据飞机生产批量、协调路线长和工艺装备，全面考虑影响生产方法的各因素，加强对传统变形工艺分析，并从中汲取经验，确保为相关构件装配偏差建模与公差设计理论体系研究提供参考。

4.2 复合材料装配应力对疲劳性的影响

复合材料构件的制造偏差在形状协调过程中引入装配应力，从而对复合材料的疲劳性产生影响，包括开孔、厚度、变截面等形状部位。在应力的作用下，构件的细节部分应力集中，能够有效降低结构疲劳程度。然而影响先进复合材料结构的因素诸多，且因力学性能特点容易产生疲劳损伤现象。在结构的相互作用下，复合材料能够发挥自身的优势，将疲劳影响控制在最小范围内。因此，相关人员要科学合理地分析影响复合材料结构装配的疲劳性能，并积极引进国内外先进的设计办法，延长构件的使用寿命，利用DFR方法中的参数值方法进行构件寿命分析，经过复合材料疲劳模型分析，总结各方面的影响因素，并不断探索复合材料结构装配协调工艺和补偿方案设计存在的未知问题。

4.3 复核材料装配应力的工艺方法

飞机先进复合材料装配架型作为控制飞机装配准确度、协调度的重要手段，复合材料装配过程中更加依赖于装配型架，所实施的任务在型架上完成。为有效提升结构装配协调性，要合理优化定位方法，充分考虑装配复合材料的应力，控制构件装配偏差，合理考量位姿、形状和内应力的定位，并在装配协调中寻找内应力场，从而提升复合材料结构的疲劳性能。采用科学的下架方式，将复合材料构件置于约束状态，在此作用下，构件内部应力场在下架过程中随着应力的变化而变化，确保在复合材料构件装配结束后，连成受力整体，充分考虑构件定位在组合作用下的损伤行为，尽可能减少复合材料构件局部损伤。

5 结论

综上所述，飞机先进复合材料结构装配协调技术对飞机构件的整体性能有重要影响，先进复合材料在国家经济发展和航空事业发展中具有经济优势，在新时代发展下的结构装配协调技术更加成熟，在材料发展和研究水平上还应加紧创新和探索，随着行业对结构装配的轻量化、制造的自动化、能耗低碳化等需求的不断增长，加快复合材料的制造技术创新必将成为未来发展的必然趋势。

［1］王华.飞机先进复合材料结构装配协调技术研究现状与发展趋势［J］.航空制造技术，2018，61（7）：26-33.

［2］陈济桁.2019年航空复合材料产业发展回顾与展望［N］.中国航空报，2020-03-13（007）.

V262.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.067

2095－6835（2020）12－0152－02

〔编辑：王霞〕