王 嬈 付友波 趙樹軍

（航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司西飛設(shè)計院，陜西 西安710089）

就復(fù)合材料設(shè)計制造一體化而言，其指的是設(shè)計理念，屬于減少飛機結(jié)構(gòu)總量、降低制造成本以及加強產(chǎn)品質(zhì)量的方式，現(xiàn)階段已經(jīng)成為國際通用飛機在結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)方面的主要發(fā)展方向，同時也屬于我國復(fù)合材料在應(yīng)用方面的必然發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外發(fā)展趨勢

二十世紀(jì)末，歐洲及美國等發(fā)達(dá)國家積極投入到復(fù)合材料設(shè)計制造一體化技術(shù)研發(fā)事業(yè)中，并取得了累累碩果。例如，空客A380 則利用軟件設(shè)計及新技術(shù)研發(fā)出復(fù)合型材料，有效縮短了大約24.5%的設(shè)計時間，也避免了反復(fù)設(shè)計。和發(fā)達(dá)國家相比之下，我國在復(fù)合材料技術(shù)方面發(fā)展較晚，國內(nèi)航空企業(yè)立足于國際合作項目進行介入，除了能夠促進經(jīng)濟效益的提升之外，還能夠?qū)ο冗M復(fù)合材料零部件結(jié)構(gòu)和相關(guān)制造技術(shù)進行學(xué)習(xí)，并借鑒成功的管理方式與經(jīng)驗，進而推動我國復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展[1]。在持續(xù)的學(xué)習(xí)與積累過程中，國內(nèi)航空企業(yè)能夠促進自身能力的提升，進而推動我國航空復(fù)合材料制造的發(fā)展。當(dāng)開始國家間合作時，有些國際合作轉(zhuǎn)包項目便創(chuàng)新采用了設(shè)計制造一體化技術(shù)，這不僅提高了產(chǎn)品研發(fā)的速度，而且節(jié)約了大量成本投入，并強化了產(chǎn)品質(zhì)量。借助FiberSim、CPD 復(fù)合材料設(shè)計軟件，設(shè)計人員能夠?qū)α慵Y(jié)構(gòu)、幾何進行全面觀察，優(yōu)化工藝程序。有關(guān)設(shè)計人員在對此類軟件進行使用的過程中，可迅速可視化鋪層形狀以及纖維方向，并在設(shè)計的過程中就找出制造存在的問題，然后運用針對性的方式進行改善。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化的研制思路

2.1 對一體化研發(fā)的理解與解讀

通過復(fù)材結(jié)構(gòu)研發(fā)所涉及專業(yè)的需求分析，可見其間是相互關(guān)聯(lián)的，所以一體化的研發(fā)思路、一體化的研發(fā)試驗規(guī)劃是復(fù)材結(jié)構(gòu)研制的關(guān)鍵[2]。 尤其是材料、工藝（零件制造、模具設(shè)計制造）、結(jié)構(gòu)的迭代設(shè)計。為了實現(xiàn)自動化、設(shè)備的研發(fā)也與之密切相關(guān)，對于通用的設(shè)備，會以采購為主，而對于專用的自動化實現(xiàn)，需要結(jié)合結(jié)構(gòu)、工藝并進行研發(fā)。也就是說自動化設(shè)備研發(fā)是材料、工藝、設(shè)計迭代的一個環(huán)節(jié)。規(guī)劃試驗要考慮以上所有專業(yè)間的相互關(guān)聯(lián)性。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)過沖中要考慮使用維護檢測和修理要求，最關(guān)鍵是要做到從材料、工藝、設(shè)備、分析、制造、檢測和維修個專業(yè)的一體化設(shè)計與研發(fā)，積木式的研發(fā)試驗必須統(tǒng)籌個專業(yè)來統(tǒng)一規(guī)劃，而且各項試驗個專業(yè)內(nèi)容緊密的相互關(guān)聯(lián)，一環(huán)套一環(huán)，共同來確定所研發(fā)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用的材料、工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及全壽命的使用維護要求。

因此需要深刻理解積木式驗證的精髓所在，而不只是從本專業(yè)列出五級試驗項目就算是積木式的驗證了。需要具有綜合專業(yè)能力和豐富型號經(jīng)驗的人來統(tǒng)籌規(guī)劃。

本項目已全面統(tǒng)籌積木式試驗并實施，而且提出需要按積木式試驗進行研發(fā)，確定構(gòu)型后，再按積木式試驗進行驗證。

2.2 材料、工藝、結(jié)構(gòu)的迭代

由于復(fù)合材料具有的可設(shè)計性和由工藝決定的材料性能特點，決定了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)需要材料、工藝、結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計，既然是設(shè)計就存在迭代過程，而這個過程必須包含試驗件制造和測試來實現(xiàn)。

這一迭代過程需要做的工作和確定的狀態(tài)是：

通過材料篩選試驗選擇材料，針對結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)選擇適合的工藝，進行工藝參數(shù)試驗研究，通過測試有關(guān)物理和力學(xué)性能，確定工藝參數(shù)的取值范圍；同時對結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)進行模具設(shè)計、零件制造研究，通過無損檢測和剖切，研究制造缺陷的工藝改進或設(shè)計改進，確定可接收的缺陷，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可制造性，確定選擇的工藝方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)。此過程迭代涉及試樣、元件、典型細(xì)節(jié)和典型結(jié)構(gòu)件的試驗，及相關(guān)工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析的迭代。

2.3 一體化的研發(fā)與驗證試驗規(guī)劃制定

2.3.1 材料研究：材料的篩選與工藝選擇一起進行，材料供應(yīng)商，自己也做。

2.3.2 工藝研究：與材料一起進行，確定工藝規(guī)范中的參數(shù)，形成工藝規(guī)范，包括無損檢測規(guī)范。 針對各類結(jié)構(gòu)件，進行零件成型工藝研究，需要進行剖切試驗，可按照結(jié)構(gòu)研發(fā)試驗件的構(gòu)型一同開展。

2.3.3 結(jié)構(gòu)研發(fā)：結(jié)構(gòu)構(gòu)型選擇試驗、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計及選擇，包括各類連接試驗、分析方法的研究與驗證。

2.3.4 許用值：在工藝研究下未完成情況下，先進行摸底試驗，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮各種使用環(huán)境因素。

2.3.5 損傷容限：研究各典型結(jié)構(gòu)件及細(xì)節(jié)的損傷特性包括制造缺陷、沖擊損傷的引入?？山Y(jié)合結(jié)構(gòu)研發(fā)試驗引入。

2.3.6 修理：修理材料、修理工藝、修理設(shè)計、修理分析、修理試驗，確定修理方法。

2.4 零件制造的研發(fā)與驗證及制造質(zhì)量流程控制

有了工藝規(guī)范并不代表能制造出各種合格的零件，借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品暴露的問題，以及設(shè)計要求，系統(tǒng)總結(jié)歸納零件制造的研發(fā)過程，進行PPM（Pre Part Manufacture）與PPV（Preproduction Verification）的研發(fā)與驗證，并在實施中不斷發(fā)現(xiàn)問題解決問題。

圖1 夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化設(shè)計流程

2.5 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)的管理與控制要求

2.5.1 保證復(fù)材結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量的控制文件體系

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過程，嚴(yán)格進行材料規(guī)范、設(shè)計圖樣、驗收條件、工藝規(guī)范、制造計劃、工裝數(shù)模、工裝文件、關(guān)鍵工具、檢測計劃等各方面的控制；以及能力鑒定、質(zhì)量控制、批產(chǎn)運營方面的管理和體系控制。

2.5.2 復(fù)材人員的培訓(xùn)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制過程中各專業(yè)人員及操作人員都應(yīng)進行嚴(yán)格的培訓(xùn)，涉及上崗培訓(xùn)、再次培訓(xùn)、考核。

2.5.3 復(fù)材研制的質(zhì)量控制

人，能勝任復(fù)材個專業(yè)工程技術(shù)人員、操作人員、維護維修人員等；機：設(shè)備、自動化成型裝置；料：材料，包括運輸、儲存；法：方法（設(shè)計方法、制造方法、檢測方法、維修方法等）；環(huán)：環(huán)境，制造環(huán)境、使用環(huán)境（濕熱、沖擊損傷、輻射、老化等）。

3 復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計制造一體化研究

3.1 數(shù)字化的設(shè)計流程

根據(jù)對合作項目的引入和實現(xiàn)探究，轉(zhuǎn)變長時間以來通過金屬零件設(shè)計方式對復(fù)合材料構(gòu)建進行設(shè)計的傳統(tǒng)模式，對此，需要憑借數(shù)字化技術(shù)對復(fù)合材料構(gòu)建產(chǎn)品之中的相關(guān)輔層予以定義，如此一來就能夠讓復(fù)合材料構(gòu)建產(chǎn)品在數(shù)字化方面的定義數(shù)據(jù)從設(shè)計初期，向著工藝及工裝設(shè)計等方面進行傳遞。根據(jù)現(xiàn)階段的計算機軟硬件及數(shù)字化設(shè)備，整理復(fù)合材料構(gòu)件在設(shè)計到制造的相關(guān)數(shù)據(jù)，如下所示：

將三維模型建立起來后，需要將其應(yīng)用于工裝設(shè)計制造內(nèi)，然后對復(fù)合材料設(shè)計/制造軟件予以輸入，以便于在三維模型鋪層之中展開[3]。完成對鋪層展開的提取之后，應(yīng)運用數(shù)據(jù)接口生成下料和鋪層文件、 Virtek 和 General Scanning激光投影系統(tǒng)等，完成之后再通過數(shù)據(jù)接口將生成的信息輸入到相應(yīng)的是設(shè)備中，進而讓這些環(huán)節(jié)進行自動優(yōu)化。其次，設(shè)計制造一體化還能夠集成零件三維模型到制造，讓錯誤鋪層尺寸與方向得到降低，同時優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，避免自動切割和優(yōu)化排樣造成過多的材料浪費。圖1 為夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化流程。

3.2 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計原則

在對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行研究的過程中，需將理論和實踐結(jié)合在一起，以此來建立數(shù)字化設(shè)計方面的相關(guān)原則。運用數(shù)字化方式對復(fù)合材料予以設(shè)計時，不只是需要滿足復(fù)合材料在一般設(shè)計方面的要求，還應(yīng)嚴(yán)格秉承下面兩點原則：其一，對接或搭接分開的鋪層片，通常需要在連接區(qū)以及存在配合要求的相關(guān)區(qū)域之中進行對接，若在不存在嚴(yán)格要求的區(qū)域進行搭接，搭接區(qū)域通常在12-15mm；其二，在對鋪層制造可行性予以分析的過程中，若一些材料存在變形過大的情況，針對性變革鋪放起始點，并分開鋪陳連接、局部區(qū)域打剪口等方式等避免纖維嚴(yán)重變形。針對預(yù)浸料幅寬的鋪層低于鋪設(shè)方向垂線方向的現(xiàn)象而言，可將預(yù)浸料分成片。同時，為了進一步符合仿真規(guī)定，應(yīng)對分片位置進行優(yōu)化，并合理鋪放起始點。如果零件繁多且復(fù)雜，可在局部地區(qū)打剪口。反之，應(yīng)對鋪放起始點進行合理設(shè)計，避免纖維嚴(yán)重變形，也在具備開設(shè)剪口，剪口分為U 型與V 型剪口[4]。其中，如果鋪層受壓較大，造成纖維嚴(yán)重變形，可選取U 型剪口，無線打補片；V 型剪口則運用在纖維因為拉伸而出現(xiàn)的纖維變形，在開剪口之后需要進行打補片。

結(jié)束語

綜上所述，對復(fù)合材料設(shè)計制造一體化進行研究，旨在以讓復(fù)合材料構(gòu)件的整個生產(chǎn)過程能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，以此來推動成本的降低，并且這也是信息時代的必然發(fā)展趨勢。復(fù)合材料設(shè)計制造一體化技術(shù)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計以及試驗驗證等進行了同步銜接，實現(xiàn)了對復(fù)合材料設(shè)計制造進行全過程控制，對減輕飛機結(jié)構(gòu)重量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低制造成本有非常重要的價值。