韓志仁，楊 攀，佟 剛，項 松

(1. 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136；2. 沈陽航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136；3. 遼寧通用航空研究院，沈陽 110136)

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用已非常廣泛，在總材料中的比例逐步提高。從國外情況看，各種先進的飛機都與復(fù)合材料的應(yīng)用密不可分，復(fù)合材料在飛機上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標之一[1]。未來將是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的時代，大型民機在結(jié)構(gòu)選材方面，從全金屬材料過渡到全復(fù)合材料是種明顯的趨勢。碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料可像布料一樣剪裁，因此新的生產(chǎn)工序制造出的邊角余料和廢料都減少了，787復(fù)合材料方案解決了效率問題，使復(fù)合材料比例達到50%，因此新型飛機使用復(fù)合材料勢不可擋[2-5]。

我國在大飛機的研制中力求大量使用復(fù)合材料，但經(jīng)過多年的設(shè)計試制，復(fù)合材料的使用量仍遠遠低于國際水平，除了設(shè)計層面的原因外，部分原因是由于復(fù)合材料制造工藝無法保證大型復(fù)合材料零件尺寸精度，造成整體裝配協(xié)調(diào)困難。目前國內(nèi)航空企業(yè)在復(fù)合材料零件制造過程中積累了一些經(jīng)驗，但沒有從理論上和體系上解決復(fù)合材料精準制造的問題[6]。復(fù)合材料構(gòu)件固化變形涉及到碳纖維性能、樹脂基體性能、模具結(jié)構(gòu)、模具材料性能、固化溫度場分布情況、固化制度、固化過程中的化學(xué)反應(yīng)、零件結(jié)構(gòu)等多種因素，各種影響因素相互作用，綜合作用的結(jié)果體現(xiàn)在復(fù)合材料零件的變形上，因此復(fù)合材料固化變形極其復(fù)雜，很難通過單一因素控制復(fù)合材料零件的變形。如何綜合考慮各種影響因素，建立綜合模糊的控制函數(shù)，實現(xiàn)對復(fù)合材料固化變形的有效控制是我們急需解決的問題[7-13]。

變形修正總體方案

通過特定的工藝試驗，獲取相同工藝條件下的試驗件，經(jīng)過逆向處理后的點云與試驗件模具曲面在對應(yīng)位置處各節(jié)點的對比，獲得變形規(guī)律數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗獲取的變形數(shù)據(jù)，推算出復(fù)合材料產(chǎn)品變形規(guī)律，進而指導(dǎo)這一類復(fù)合材料產(chǎn)品的模具型面修正。修正流程如圖1所示。

圖1 模具型面修正流程Fig.1 Process of mould surface modification

試驗數(shù)據(jù)獲取

對于同一類復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)，只要采用與試驗件完全相同的成型工藝和鋪層方式，修正時即可使用該數(shù)據(jù)，無需重新鋪制，本文中復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層方式與成型工藝都與試驗件相同，故試驗件獲取到固化變形數(shù)據(jù)而總結(jié)出的固化變形規(guī)律才能與實際生產(chǎn)的復(fù)材構(gòu)件變形規(guī)律最為接近。

根據(jù)試驗件固化變形情況，最終確定將試片曲面按一定規(guī)則切分為若干截面，并在截面線上取半徑、角度等參數(shù)作為變形參數(shù)，進而研究其變形規(guī)律。圖2為獲取試驗數(shù)據(jù)過程的示意圖，表1為一截面所取節(jié)點處的曲率半徑以及各節(jié)點間的角度約束關(guān)系。

圖2 獲取試驗數(shù)據(jù)過程Fig.2 Process of the experimental data

表1 特征截面所取節(jié)點的數(shù)據(jù)

對表1中的數(shù)據(jù)進行分析整理，可得到模具曲面與試驗件曲面相對應(yīng)位置處的某一特征截面上節(jié)點的對比圖，如圖3所示。

圖3 試驗件曲面與模具曲面對應(yīng)特征截面上各節(jié)點的對比Fig.3 Comparison between part surface and mould surface corresponding characteristic section on each node

修正方法

將測量出的試驗件各節(jié)點處的曲率半徑、角度變化率，通過曲線擬合數(shù)值計算方法，推算其變形規(guī)律，進而作用于產(chǎn)品模具設(shè)計曲面，對其進行補償修正，以補償固化過程中造成的變形誤差。變形補償流程如圖4所示。

具體修正過程如下：

（1）以從試驗件上獲取到的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)出各參數(shù)的變化規(guī)律。記為：

式中：r1、φ1為試驗件模具截面上各節(jié)點的曲率半徑及角度值；r2、φ2為試驗件截面上各節(jié)點的曲率半徑及角度值；R、Φ為各節(jié)點的曲率半徑及角度的變化律。

圖4 變形補償流程Fig.4 Process of deformation compensation

（2）根據(jù)設(shè)計曲面的特點，對其沿著曲率變化較大的方向上做截面，然后在每條截面線上等比例生成一定數(shù)量的點記為Mi，并測量出這些點的曲率半徑記為角度值為修正過程以該截面線上點Mi的曲率半徑為基礎(chǔ)，通過曲率半徑變化率R，求出變形后各點的曲率半徑再結(jié)合各點的角度變化規(guī)律Φ，依次計算出變形后的新節(jié)點修正算法公式如式（2），修正算法示意如圖5所示。以曲線上各點為基礎(chǔ)，根據(jù)式（2）先確定出點M1的修正后的點，再將曲線平移到位置處，根據(jù)式（2）確定出M2修正后的點以此類推直到求出曲線上各點變形后的新節(jié)點。

（3）獲取產(chǎn)品模具設(shè)計曲面上所有新生成的各節(jié)點Mi的坐標，并將其導(dǎo)入到CATIA中的Digitized Shape Editor模塊中利用Mesh Creation功能生成模具設(shè)計曲面的修正曲面，從而得到修正后的模具曲面。

圖5 修正算法Fig.5 Correction algorithm

算例

為了驗證此算法能夠有效地修正補償固化過程中產(chǎn)生的變形，以某公司鋪制加工的某曲面類構(gòu)件為例，利用CATIA中分析模塊對比分析了未補償修正模具型面前，構(gòu)件型面與模具型面之間的誤差，如圖6所示。接下來利用本文中提及的修正算法對產(chǎn)品設(shè)計曲面進行修正補償，并在CATIA中分析對比了經(jīng)過型面補償修正，補償后的模具型面與構(gòu)件變形后型面之間的誤差，如圖7所示。

圖6 未修正模具型面與構(gòu)件型面之間的差值對比Fig.6 Difference between the uncorrected mould surface and parts surface before compensation

圖7 補償后修正的模具型面與構(gòu)件變形后型面差值對比Fig.7 Difference between the corrected mould surface and deformed parts surface after compensation

通過分析對比，修正后模具型面與構(gòu)件變形后型面非常接近，它們之間的誤差已明顯減小，已經(jīng)由未補償模具型面前的最大位移6.03mm減小到0.502mm，說明本文中提及的修正算法用于模具型面修正的有效性，可以補償固化過程中產(chǎn)生的變形。

結(jié)論

（1）對試驗件點云曲面與試驗件模具型面類比，并利用兩曲面上相對應(yīng)位置處特征曲面的節(jié)點來獲取設(shè)計曲面修正數(shù)據(jù)。

（2）通過對特征曲面的曲率、角度約束關(guān)系的比對,結(jié)合曲線擬合、曲面匹配等方法獲取固化變形規(guī)律。

（3）提出一種基于型面節(jié)點的復(fù)合材料構(gòu)件模具型面修正補償算法，并通過實例驗證了該算法的有效性。

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