摘 要 為有效降低復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)件制造成本，制造部門一直在嘗試通過非熱壓罐固化工藝方案進(jìn)行成本控制。本文以翼面類復(fù)合材料加筋壁板為研究對象，通過材料體系選用、長桁截面形式分析、公差要求等設(shè)計(jì)因素和材料利用率、工時(shí)成本、工裝成本等制造因素進(jìn)行制件低成本驅(qū)動(dòng)要素研究，同時(shí)結(jié)合VARTM和RTI非熱壓罐固化工藝制備復(fù)合材料加筋壁板進(jìn)行總結(jié)說明。研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)階段對制件成本起決定性因素，制造階段主要通過提升制備效率降低制件成本；非熱壓罐固化工藝可以有效降低制件成本，但是需平衡設(shè)計(jì)部門對公差的要求和制造部門對工藝可操作性要求。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；加筋壁板；低成本；驅(qū)動(dòng)因素

DOI： 10.19840/j.cnki.FA.2024.02.008

航空器機(jī)體結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關(guān)，材料的變革必然會(huì)引起機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大變革。近些年，歐美等強(qiáng)國為提高航空器結(jié)構(gòu)效率和飛行品質(zhì)等綜合性能，復(fù)合材料應(yīng)用已經(jīng)從整流罩、前后緣、擾流板等次承力結(jié)構(gòu)到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)[1-2]。機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的大面積應(yīng)用，使減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)降低制造成本成為復(fù)合材料制件研究的熱點(diǎn)。復(fù)合材料制件成本估算模型主要有參數(shù)成本估算模型和制造工藝成本估算模型[3]。參數(shù)成本估算模型主要有作業(yè)成本法、模糊成本評估模型[4]、Rand公司建立的DAPCA IV模型[5]和NASA參數(shù)成本估算手冊[6]，其針對新材料、新工藝的復(fù)雜性很難定義生產(chǎn)成本與設(shè)計(jì)變量之間關(guān)系，模型準(zhǔn)確度和使用范圍有限。制造工藝成本估算模型基本出發(fā)點(diǎn)是將結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量、材料體系與工藝成型方法、加工成本進(jìn)行關(guān)聯(lián)，核心在于制件批產(chǎn)量、材料體系與結(jié)構(gòu)形式、成型方法與模具、人工與設(shè)備費(fèi)用、結(jié)構(gòu)尺寸及復(fù)雜度等成本驅(qū)動(dòng)因素?cái)?shù)學(xué)模型的建立，此種方法較參數(shù)成本估算模型更加靈敏和準(zhǔn)確。國內(nèi)大尺寸、高承載復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)應(yīng)用剛剛起步，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與制造成本的關(guān)聯(lián)性可借鑒經(jīng)驗(yàn)不足。本文以翼面典型主承載結(jié)構(gòu)件加筋壁板為研究對象，基于制造工藝成本估算模型定性分析復(fù)合材料加筋壁板成本驅(qū)動(dòng)因素，給出面向制造成本的復(fù)合材料加筋壁板低成本控制方法，研究成果可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師借鑒和參考。

一、加筋壁板低成本設(shè)計(jì)

復(fù)合材料加筋壁板由蒙皮和長桁組成，典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。面向制造成本的復(fù)合材料加筋壁板設(shè)計(jì)應(yīng)主要從材料選擇、長桁截面形式和公差要求三個(gè)維度降低其制造成本。

（一）材料體系選用

復(fù)合材料加筋壁板材料選用應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度、韌性、最高工作溫度、耐濕/熱性能、工藝性、成本、使用經(jīng)驗(yàn)、材料來源等因素綜合權(quán)衡折中，擇優(yōu)選用。

航空器機(jī)體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的增強(qiáng)纖維有碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等。碳纖維由于其性能好，纖維類型規(guī)格多，成本適中等因素，在航空器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣；芳綸纖維性能雖然尚佳，但在濕熱狀態(tài)下性能明顯下降，一般應(yīng)用于航空器次承力結(jié)構(gòu)；玻璃纖維一般應(yīng)用于功能結(jié)構(gòu)，如整流罩、雷達(dá)罩、艙內(nèi)裝飾結(jié)構(gòu)等。航空器結(jié)構(gòu)常用纖維性能特點(diǎn)見表1。

復(fù)合材料加筋壁板承受翼面盒段彎矩轉(zhuǎn)化的拉伸、壓縮載荷，又參與盒段的扭矩傳遞，材料選用應(yīng)堅(jiān)持性能優(yōu)先原則，目前廣泛采用中模高強(qiáng)的碳纖維預(yù)浸料。為了滿足新一代航空器的減重要求，航空器工程研發(fā)部門針對碳纖維預(yù)浸料提出了韌性要求，即將拉伸強(qiáng)度和拉伸模量提高30%～40%，使纖維斷裂伸長率提高20%，并要求與韌性樹脂基體組合提高抗損傷能力，以求使復(fù)合材料加筋壁板設(shè)計(jì)許用應(yīng)變由0.3%～0.4%提高到0.6%以上。材料供應(yīng)商為響應(yīng)工程研發(fā)部門要求，研制了T800H、IM6、IM7等中等模量高強(qiáng)度碳纖維預(yù)浸料，并成功應(yīng)用于B787飛機(jī)和A350飛機(jī)翼面盒段復(fù)合材料加筋壁板。

（二）長桁截面形式

翼面復(fù)合材料加筋壁板長桁截面形式主要有“T”形截面和“工”形截面兩種結(jié)構(gòu)形式，典型結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

“T”形截面復(fù)合材料加筋壁板下緣條由腹板直接翻邊成形，成形工藝簡單、制造成本低；“工”形截面復(fù)合材料加筋壁板下/上緣條除由翻邊直接成形還需單獨(dú)制作部分下/上緣條。工藝成本方面考慮，“T”形截面復(fù)合材料加筋壁板優(yōu)于“工”形截面復(fù)合材料加筋壁板；“工”形截面復(fù)合材料加筋壁板長桁存在上緣條對腹板的支持，所以“工”形截面復(fù)合材料加筋壁板抗屈曲能力強(qiáng)于“T”形截面復(fù)合材料加筋壁板。B787飛機(jī)機(jī)翼根部對接采用“土”字形結(jié)構(gòu)形式對接，“工”形長桁上緣條直接通過“土”字形對接接頭上緣條直接傳遞，因此機(jī)翼復(fù)合材料加筋壁板采用“工”形截面結(jié)構(gòu)形式；A350飛機(jī)機(jī)翼根部對接采用“T”字形結(jié)構(gòu)形式對接，長桁腹板擴(kuò)散至下緣條進(jìn)行搜集、擴(kuò)散，因此機(jī)翼復(fù)合材料加筋壁板采用“T”形截面結(jié)構(gòu)形式。通過對比分析，復(fù)合材料加筋壁板長桁截面形式應(yīng)綜合考慮翼面盒段根部載荷傳遞方式，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，最終確定加筋壁板長桁截面形式。

（三）公差要求

復(fù)合材料制件公差受原材料類型、鋪層結(jié)構(gòu)、成形方法及工藝、模具材料及結(jié)構(gòu)、模具精度、構(gòu)件尺寸大小及復(fù)雜程度、操作人員的素質(zhì)和技術(shù)水平等多種因素影響。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，避免生產(chǎn)不合格品，設(shè)計(jì)復(fù)合材料加筋壁板產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)規(guī)定一個(gè)合理的公差值。復(fù)合材料加筋壁板公差主要涉及長桁軸線公差、壁厚公差和成形后翹曲公差。

長桁軸線公差影響盒段內(nèi)長桁與翼肋的間隙，長桁與翼肋的間隙影響翼肋對加筋壁板的支持系數(shù)，間隙增大導(dǎo)致加筋壁板抗屈曲能力降低。經(jīng)研發(fā)部門與工藝部門反復(fù)評估，復(fù)合材料加筋長桁軸線公差在翼肋軸線處±1mm、其余位置±1.5mm最優(yōu)。盒段內(nèi)長桁與翼肋配合關(guān)系如圖3所示。

復(fù)合材料加筋壁板一般采用真空加壓成型工藝，其厚度公差涉及預(yù)浸料樹脂含量、固化壓力、模具種類及精度等因素?？湛脱邪l(fā)部工程師經(jīng)大量研究、觀察，并總結(jié)層壓類零件制造生產(chǎn)情況，針對加筋壁板類層壓制件厚度公差規(guī)定如下：

1. 制件最小厚度=預(yù)浸料單向帶單層厚度×制件鋪貼層數(shù)+0.1；

2. 制件最大厚度=（預(yù)浸料單向帶單層厚度×制件鋪貼層數(shù)+0.1）×1.04。

復(fù)合材料加筋壁板成形后翹曲主要是由于局部非對稱鋪貼引起附加彎曲變形，是其自有屬性。復(fù)合材料加筋壁板長桁下緣條根部一般全部打開與蒙皮一起固化，長桁下緣條自身對稱、蒙皮自身對稱，但是長桁下緣條與蒙皮固化后整體結(jié)構(gòu)是非對稱結(jié)構(gòu)，因此一般在此處產(chǎn)生較大的翹曲變形。翹曲變形公差大，復(fù)合材料加筋壁板裝配時(shí)需要帶較大的預(yù)應(yīng)力或較厚的墊片進(jìn)行裝配，給翼面盒段帶來技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，因此工程師應(yīng)對此處做詳細(xì)的公差要求評估。工程上，復(fù)合材料加筋壁板通過應(yīng)力有效釋放設(shè)計(jì)后，其在50N力輕壓下，允許其翹曲公差不超過0.2mm。

二、加筋壁板低成本制造

復(fù)合材料加筋壁板制件成本分為材料成本、工時(shí)成本和工裝成本，其中材料成本和工時(shí)成本定義為重復(fù)成本（Recurring Cost，RC），工裝成本定義為非重復(fù)成本（Non-recurring Cost，NRC）[7]。

（一）材料成本

材料成本等于實(shí)際用量乘以采購單價(jià)。實(shí)際用量由材料利用率和理論用量兩個(gè)因素決定，采購單價(jià)由設(shè)計(jì)人員所選用的預(yù)浸料市場價(jià)格決定。因此，復(fù)合材料加筋壁板降低材料成本應(yīng)通過減輕其理論重量、提高其材料利用率和降低其原材料采購單價(jià)等三方面開展工作。復(fù)合材料加筋壁板理論重量應(yīng)開展多輪次的布置優(yōu)化、尺寸優(yōu)化工作，充分發(fā)揮復(fù)合材料輕質(zhì)、高效的優(yōu)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)理論重量最小的收益；材料利用率主要通過制造部門進(jìn)行控制，制造部門應(yīng)通過復(fù)合材料料層邊界優(yōu)化、拼搭接工藝方案優(yōu)化、料片排版優(yōu)化、下料程序優(yōu)化、同類材料的混排下料等方式提高材料利用率；設(shè)計(jì)人員所選用的預(yù)浸料應(yīng)充分考慮制造部門的實(shí)際情況，盡量減少制造部門主材料品類，通過制造部門批量采購降低采購單價(jià)，減少入廠驗(yàn)收成本和廠內(nèi)儲存成本。

（二）工時(shí)成本

復(fù)合材料制備工藝自動(dòng)化程度低、中間過程冗長是國內(nèi)復(fù)合材料制件成本居高不下的主要原因。工業(yè)部門統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：手工鋪疊復(fù)合材料效率為3磅/h，自動(dòng)化技術(shù)能達(dá)到15～30磅/ h；手工鋪疊復(fù)合材料廢料量為15%～20%，而自動(dòng)化技術(shù)可以減少到5%左右。因此，復(fù)合材料加筋壁板降低工時(shí)成本應(yīng)通過自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）和自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)（AFP）實(shí)現(xiàn)。B787客機(jī)和B777X 客機(jī)機(jī)翼復(fù)合材料加筋壁板均采用了自動(dòng)化鋪貼技術(shù)，B777X客機(jī)機(jī)翼復(fù)合材料加筋壁板AFP設(shè)備20個(gè)盤型卷軸鋪絲頭安裝于12.8m的主龍門梁上，其重量達(dá)1.7t，20個(gè)卷軸一次可鋪放760mm寬的單向帶預(yù)浸帶。A350客機(jī)機(jī)翼復(fù)合材料加筋壁板初始采用ATL工藝制，隨著AFP工藝可鋪貼機(jī)翼下壁板維護(hù)開口區(qū)域復(fù)雜輪廓，最終工藝又更改成AFP工藝。從波音公司和空客公司復(fù)合材料加筋壁板制造工藝發(fā)展歷程看，復(fù)合材料加筋壁板自動(dòng)化鋪貼工藝是降低工時(shí)成本的最有效途徑，AFP工藝較ATL更具備發(fā)展前途[8-9]。A350飛機(jī)機(jī)翼加筋壁板AFP鋪貼如圖4所示。

（三）工裝成本

復(fù)合材料制件變形與模具材料關(guān)聯(lián)性較大，模具工裝材料熱膨脹系數(shù)應(yīng)與碳纖維預(yù)浸料熱膨脹系數(shù)相當(dāng)，復(fù)合材料加筋壁板工裝材料應(yīng)以殷鋼材料為主。以某民用飛機(jī)復(fù)合材料加筋壁板為例，其理論重量為200kg，按目前通用價(jià)格估算方法，復(fù)合材料加筋壁板制造成本（含無損檢測成本）為0.74萬元/公斤，制造費(fèi)用約為148萬元。大型復(fù)合材料制件需要的殷鋼模具造價(jià)較高，成本約為11萬元/平方米，某民用飛機(jī)復(fù)合材料加筋壁板所需模具面積約為38平方米，模具投入需418萬元。工裝成本投入屬于一次性投入，按批生產(chǎn)分?jǐn)偅匆惶啄＞呤褂?0次（一般可用100次以上），某民用飛機(jī)復(fù)合材料加筋壁板制造成本僅增加8.36萬元分?jǐn)偅ぱb成本占制件制造成本5.6%，因此工裝成本對復(fù)合材料加筋壁板制造成本影響不大。

三、加筋壁板成本發(fā)展方向

復(fù)合材料加筋壁板是高承載的主承力制件，成型工藝主要是通過熱壓罐固化成型。熱壓罐成型耗能大，直接影響制件制造成本，一直被低成本設(shè)計(jì)工程師所詬病。結(jié)構(gòu)低成本工程師一直在嘗試通過OOA（非熱壓罐成型）、液體成型等工藝降低復(fù)合材料制件成本。

俄羅斯聯(lián)合航空制造集團(tuán)公司研制的干線客機(jī)MS–21，客機(jī)是全球第一架采用非熱壓罐工藝（Out of Autoclave）真空輔助樹脂傳遞模塑（Vac‐uum assisted resin transfermolding， VARTM）工藝制造機(jī)翼復(fù)合材料加筋壁板的大型客機(jī)[10]。加筋壁板采用龍門立式自動(dòng)鋪絲機(jī)在陰模鋪貼成預(yù)成型體后，將制件轉(zhuǎn)移至脂熱注射設(shè)備進(jìn)行注膠，注膠結(jié)束后進(jìn)行固化爐成型。VARTM工藝的成功應(yīng)用得益于美國Cytec 公司研發(fā)的中模高強(qiáng)碳纖維TX1100和EP2400樹脂，EP2400樹脂通過增韌技術(shù)有效地解決了低黏度狀態(tài)下復(fù)合材料加筋壁板的樹脂完全浸潤。VARTM工藝具有設(shè)備投入少、能耗低、結(jié)構(gòu)減重效果好的優(yōu)勢，但是成型模具復(fù)雜，結(jié)構(gòu)工程師需平衡加筋壁板公差和工藝可操作性要求。MS–21機(jī)翼盒段示意圖如圖5所示。

加拿大龐巴迪C系列客機(jī)機(jī)翼復(fù)合材料加筋壁板采用了樹脂轉(zhuǎn)移注射（Resin transferinjec‐tion， RTI）工藝制造，加筋壁板材料選用無屈曲織物（Non-crimped fabric， NCF），鋪貼預(yù)成型后轉(zhuǎn)移至成型模具，并在熱壓罐內(nèi)進(jìn)行注膠及固化。RTI工藝兼顧了液體成型工藝和熱壓罐固化的優(yōu)點(diǎn)，熱壓罐的固化壓力可加速復(fù)合材料加筋壁板結(jié)樹脂浸漬過程，并保證預(yù)成型體的質(zhì)量以及降低制件的孔隙含量，制件的纖維體積可通過注入樹脂的含量和熱壓罐壓力進(jìn)行有效控制。

四、結(jié)束語

復(fù)合材料加筋壁板低成本控制一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜、且需權(quán)衡得失的過程。設(shè)計(jì)部門要全方位從材料選擇、制件重量、公差要求等成本驅(qū)動(dòng)因素來降低制件材料成本、提高制件制造效率。制造部門應(yīng)通過提高材料利用率和降低工時(shí)進(jìn)行制件成本把控。非熱壓罐工藝制造是低成本設(shè)計(jì)師研究的熱點(diǎn)，低成本制造工藝的實(shí)施需平衡設(shè)計(jì)部門對公差的要求和制造部門對工藝可操作性要求。 AFA

參考文獻(xiàn)

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第10冊[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[2] 楊乃賓，章怡寧. 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2002：205–210.

[3] 蔚鳳生，何瑞，廉偉. 民機(jī)復(fù)合材料成本探討[J]. 大飛機(jī)，2021. （12）：14-19.

[4] 曹衍龍，劉保軍，楊將新. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的公差成本模型研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào). 2004， 11（2）：73-76.

[5] HessR. W.， RomanoffH. P.. Advanced Airframe Structural Materials： A Primer and Cost Estimating Methodology. Rept.R-4016-AF. Santa Monica， Ca： Rand Corp. 1991： 67-79.

[6] NASA. Parametric Cost Estimating Handbook. [EB/OL]. [2017-01-14] http：// www.jsc.nasa.gov/ bu2/pcehg.html.

[7] 胡婷萍，何瑞，陸孜文. 民機(jī)復(fù)合材料制造成本分析與控制[J]. 大飛機(jī)，2021. （12）：20-24.

[8] 粱憲珠，張鋮. 淺談降低國內(nèi)航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成本的途徑[J]. 航空制造技術(shù)，2011. （3）：40-44.

[9] 馬志陽，高麗敏，徐吉峰. 復(fù)合材料在大飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術(shù)， 2021， 64（11）： 24–30.

[10] 魏冷. MC–21： 俄羅斯復(fù)興民用航空工業(yè)的夢想[J]. 大飛機(jī)， 2016（3）： 48–50.

（編輯：馮金玉）