摘要：由于航空復(fù)合材料零件的性能參數(shù)要求較高，導(dǎo)致鍛造產(chǎn)出的合格率難以得到有效保障，為此，提出自動(dòng)化生產(chǎn)在航空復(fù)合材料零件鍛造中的應(yīng)用研究。首先，利用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建了航空復(fù)合材料零件有限元模型，通過(guò)模擬零件的受力特點(diǎn)和邊界條件，對(duì)航空復(fù)合材料零件鍛造的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；其次，在生產(chǎn)階段，引入了自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，以滿足零件設(shè)計(jì)要求的有限元模型參數(shù)為基準(zhǔn)，控制各個(gè)加工環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的鍛造生產(chǎn)。在測(cè)試結(jié)果中，各設(shè)計(jì)參數(shù)的合格率始終在95.0%以上，最大值達(dá)到了98.4%，應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：航空復(fù)合材料零件有限元模型、受力特點(diǎn)、邊界條件、參數(shù)優(yōu)化、自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)、合格率

中圖分類號(hào)：TG316文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

ResearchontheApplicationofAutomatedProductionintheForgingofAerospaceCompositeParts

SONGWen

AVICShenyangLimingAero-Engine（Group）Corporation，Ltd.，LiaoningLiaoningProvince.110043China

Abstract：Duetothehighrequirementsofperformanceparametersofaviationcompositeparts，itisdifficulttoeffectivelyguaranteethequalificationrateofforgingoutput，sotheapplicationresearchofautomaticproductionintheforgingofaviationcompositepartsisproposed.Firstly，afiniteelementmodelofaviationcompositepartsisconstructedbyusingthefiniteelementanalysissoftwareANSYS，andtheparametersofforgingaviationcompositepartsareoptimizedbysimulatingtheforcecharacteristicsandboundaryconditionsoftheparts.Secondly，intheproductionstage，automatedproductiontechnologyisintroducedtomeetthefiniteelementmodelparametersofthepartdesignrequirementsasthebenchmark，controleachprocessinglink，andrealizetheforgingproductionofparts.Inthetestresults，thepassrateofeachdesignparameterisalwaysabove95.0%，andthemaximumvaluereaches98.4%，indicatinggoodapplicationeffect.

KeyWords：Finiteelementmodelofaerospacecompositeparts;Forcecharacteristics;Boundaryconditions;Parameteroptimization;Automatedproductiontechnology;Passrate

航空工業(yè)的迅猛發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步對(duì)高性能、高可靠性的航空復(fù)合材料零件的需求日益增長(zhǎng)。航空復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性，在航空器的制造中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，傳統(tǒng)的鍛造工藝在面對(duì)復(fù)雜形狀、高精度要求的航空復(fù)合材料零件時(shí)，往往難以滿足現(xiàn)代航空制造業(yè)對(duì)效率、精度和質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸在航空復(fù)合材料零件鍛造中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。自動(dòng)化生產(chǎn)不僅能夠提高生產(chǎn)過(guò)程的效率和精度，還能夠有效縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，同時(shí)提升零件的整體性能。因此，自動(dòng)化生產(chǎn)在航空復(fù)合材料零件鍛造中的應(yīng)用研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)話題。本研究旨在深入探討自動(dòng)化生產(chǎn)如何提升航空復(fù)合材料零件鍛造過(guò)程的效率與質(zhì)量，全面分析其在降低成本、縮短生產(chǎn)周期、提高零件性能等方面的潛力。通過(guò)本研究，期望能夠?yàn)楹娇罩圃鞓I(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供有力的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，推動(dòng)航空復(fù)合材料零件鍛造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新。

1航空復(fù)合材料零件鍛造技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1航空復(fù)合材料零件有限元模型構(gòu)建

為保障航空復(fù)合材料零件的參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，本文首先構(gòu)建了航空復(fù)合材料零件有限元模型。其中，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程涵蓋的關(guān)鍵步驟如圖1所示。

按照?qǐng)D1所示的方式，首先根據(jù)航空復(fù)合材料零件的實(shí)際幾何形狀、尺寸和邊界條件，在有限元分析軟件（ANSYS）中建立幾何模型[1]。使用軟件中的幾何建模工具，精確繪制零件的幾何形狀，包括長(zhǎng)度、寬度、高度、圓角等細(xì)節(jié)。同時(shí)，根據(jù)零件的受力情況和邊界條件，設(shè)置相應(yīng)的約束和載荷。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)零件的幾何形狀和受力特點(diǎn)，將幾何模型劃分為有限個(gè)單元（三角形單元或四邊形單元），準(zhǔn)確模擬零件的力學(xué)行為。在此過(guò)程中，需要確保單元之間具有連續(xù)性，且不發(fā)生重疊[2]。之后，根據(jù)復(fù)合材料的具體類型和規(guī)格，為每個(gè)單元定義復(fù)合材料的屬性，包括彈性模量、泊松比、密度，并使用軟件中的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)定義工具，通過(guò)直接輸入材料本構(gòu)矩陣的方式定義零件復(fù)合材料性質(zhì)[3，4]。再使用軟件中的網(wǎng)格劃分工具，自動(dòng)完成節(jié)點(diǎn)和單元的連接。結(jié)合鍛造航空復(fù)合材料零件的受力特點(diǎn)和邊界條件，使用軟件中的荷載施加工具，根據(jù)零件的受力特點(diǎn)和邊界條件設(shè)計(jì)要求，施加靜力荷載、動(dòng)力荷載等[5]，以模擬零件在實(shí)際工作中的受力情況。本文使用ANSYS軟件中的求解器，自動(dòng)完成有限元方程的求解過(guò)程。根據(jù)求解結(jié)果，分析零件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等力學(xué)行為，確定零件的薄弱環(huán)節(jié)對(duì)單元大小、材料屬性以及工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)[7]。

按照上述所示的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空復(fù)合材料零件有限元模型的構(gòu)建，將其作為后續(xù)零件鍛造的執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.2航空復(fù)合材料零件自動(dòng)化生產(chǎn)

結(jié)合1.1構(gòu)建航空復(fù)合材料零件有限元模型輸出的最優(yōu)工藝參數(shù)信息，本文在具體執(zhí)行零件的鍛造加工過(guò)程中，引入了自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)。其中，具體的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示。

按照?qǐng)D2所示的方式，根據(jù)零件的具體設(shè)計(jì)要求，材料準(zhǔn)備加工所需的復(fù)合材料，并按照有限元模型輸出的參數(shù)信息對(duì)所選材料進(jìn)行預(yù)處理，具體的處理包括切割、打磨，以此確保材料質(zhì)量符合生產(chǎn)要求[6-7]。需要特別注意的是，對(duì)于粉末狀的高性能復(fù)合材料，需要從低溫冷庫(kù)中取出并進(jìn)行熱壓罐、恒溫恒濕凈化間、烘干房環(huán)節(jié)的處理，通過(guò)這樣的方式，最大限度確保原材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性能夠達(dá)到零件加工的設(shè)計(jì)要求[8]。

按照上述所示的方式，借助自動(dòng)化生產(chǎn)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)航空復(fù)合材料零件鍛造加工，確保零件的質(zhì)量和性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2應(yīng)用分析

2.1測(cè)試準(zhǔn)備

在具體的測(cè)試階段，本文以應(yīng)用于航空的某TC4鈦合金鍛件為基礎(chǔ)開(kāi)展具體的對(duì)比測(cè)試，其中，零件的具體參數(shù)信息配置情況如表1所示。

其中，TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）是一種（α+β）型鈦合金，具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強(qiáng)度以及較好的韌性和焊接性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的工藝條件和熱處理方式，對(duì)具體的鍛造方法進(jìn)行測(cè)試。

2.2測(cè)試結(jié)果與分析

在上述測(cè)試環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別采用冷熱循環(huán)下鋁基復(fù)合材料構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性提升設(shè)計(jì)方法[2]和基于高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料的零件加工質(zhì)量提升設(shè)計(jì)方法[3]作為測(cè)試的對(duì)照組，對(duì)不同鍛造方法下，生產(chǎn)零件的參數(shù)合格率進(jìn)行對(duì)比分析，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

結(jié)合表2所示的測(cè)試結(jié)果可以看出，在3種不同方法下，對(duì)應(yīng)TC4鈦合金鍛件各設(shè)計(jì)指標(biāo)的合格率表現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)。其中，采用冷熱循環(huán)下鋁基復(fù)合材料構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性提升設(shè)計(jì)方法[2]，各設(shè)計(jì)參數(shù)的合格率基本穩(wěn)定在94.0%-96.0%區(qū)間范圍內(nèi)；在基于高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料的零件加工質(zhì)量提升設(shè)計(jì)方法[3]下，各設(shè)計(jì)參數(shù)的合格率波動(dòng)更加明顯，對(duì)應(yīng)的最大值達(dá)到了96.6%，最小值僅為93.7%；在本文設(shè)計(jì)方法下，各設(shè)計(jì)參數(shù)的合格率始終在95.0%以上，最大值達(dá)到了98.4%。

3結(jié)語(yǔ)

航空復(fù)合材料零件鍛造的質(zhì)量要求極高，需要精密制造和嚴(yán)格控制多層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。因此，本文提出自動(dòng)化生產(chǎn)在航空復(fù)合材料零件鍛造中的應(yīng)用研究，切實(shí)提高了零件生產(chǎn)的合格率，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可為提高航空復(fù)合材料零件的性能和可靠性提供了有力支持。

參考文獻(xiàn)

[1]孫立帥，劉闖，李玉軍，等.變厚度復(fù)合材料U型零件固化變形仿真預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)影響因素[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2023，40（1）：553-566.

[2]楊光，金延文，張峻凡，等.冷熱循環(huán)下鋁基復(fù)合材料構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性影響因素研究[J].精密成形工程，2024，16（4）：87-94.

[3]謝新春，楊新一，張雨菲，等.基于高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料的零件加工質(zhì)量提升實(shí)踐[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2023，（S1）：60-63.

[4]高聰，祝穎丹，劉伯芳，等.熱塑性碳纖維/尼龍6復(fù)合材料界面優(yōu)化及零件快速成型工藝研究[J].汽車(chē)工程，2024，46（03）：546-556.

[5]孫琳，鄭紹祥.基于多因素約束的復(fù)合材料成型制造進(jìn)罐計(jì)劃排程方法研究[J].航空制造技術(shù)，2023，66（20）：126-133.

[6]黃晶晶.基于Deform的汽車(chē)法蘭盤(pán)體零件鍛造成形工藝[J].鍛壓技術(shù)，2022，47（06）：81-86.

[7]張晨群，鮑益東，楊智勇，等.基于路徑相關(guān)本構(gòu)模型的大型薄壁曲面復(fù)合材料零件固化變形分析[J].宇航材料工藝，2022，52（06）：92-97.

[8]鄭煒，陳明，楊亞鵬，等.大尺寸復(fù)合材料薄壁異形回轉(zhuǎn)體零件數(shù)字化測(cè)量技術(shù)研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2023，52（01）：26-29.