鈑金件腹板下陷展開設計優化分析

摘 要：在飛機設計過程中，鈑金件結構特征存在較多的的腹板面下陷，起到躲避其他零件的作用。在成型前的下料步驟，需要計算這些下陷在展開過程中發生的變化，以提高下料的準確度。在不考慮成型壓力、溫度等因素的前提下，下陷的展開是可以通過幾何仿真模擬得到的，文章通過分析鈑金件腹板面的傳統下陷補償方式，研究其具體適用范圍，最終得到新的腹板下陷補償優化設計規則。

關鍵詞：鈑金件；下陷展開；補償

引言

根據鈑金零件下陷的設計方式，可以分為標準下陷和非標準下陷，按零件類型又可以繼續分為板材零件下陷以及擠壓型材下陷。對于標準下陷，板材零件的下陷深度最大到12mm，型材零件的下陷深度最大到16mm，同時零件材料牌號、熱處理狀態直接影響到標準下陷的規格。對這種腹板面的下陷，在進行毛料狀態設計時需要考慮展開線到外形線之間的關系，以快速得到展開數據，提高下料準確性。

傳統對于腹板面下陷的展開設計方法，以下陷深度作為判斷標準。如果下陷深度h<1mm，展開線與外形線在同一條線線上：如果下陷深度h>1mm，展開線應設計在外形線之外，并按h/3計算，如圖1所示。

圖1 平面零件端頭有下陷的展開計算

這種方法主要解決的是標準下陷的問題，但對于非標準下陷由于下陷角度不確定，采用此方法可能會出現展開缺料的問題，因此對于下陷深度大于1mm的情況，如果要采用h/3作為展開線，還應增加其他約束條件。

2 展開分析

2.1 成型過程分析

從鈑金零件成型的過程來看，發生延展的部位在彎曲R角區域，同時由于下陷過渡區域與腹板面存在角度，展開到腹板面上后要比外形線投影長，因此展開數值主要來源為彎角R角以及斜面過渡區。

2.2 彎曲R角部位

鈑金零件的中性面在延展過程中是不變化長度的，因此對彎曲R角區域，展開線到外形線的距離為中性面弧長減去圓弧終止點到樣板平面的投影，即如圖2所示的L-T。這個距離主要受到彎曲半徑、材料厚度以及角度的影響。

圖2 彎曲半徑區域的展開

通過在繪圖軟件內模擬，根據常見的一些材料厚度以及彎曲半徑，得到表1測試數據。

從表中可以得到以下信息。

（1）下陷角度α在50°～60°之間延展長度變化最小，并且存在不延展臨界點。

（2）α小于50°時，展開邊緣小于圓弧終止點投影，不出現缺料。

（3）α大于60°時，展開邊緣大于圓弧終止點投影，會出現缺料。

鈑金零件展開的原則是不出現缺料，因此以50°作為分界，當α> 50°時，需計算展開。

2.3 斜面分析

對下陷的斜面區域，在分析中可以去除R角，簡化為圖3狀態。

圖3 斜面區域簡化圖

由于設計的是展開線與外形投影線的距離，而斜面不會在展開時發生延展，因此差值L-T為所需數據，其中

L=H/Sinα T=H/Tanα

因此 L-T=H/Sinα-H/Tanα=H（1-Cosα）/Sinα

當L>H/3時，需要按二次彎邊展開計算下陷，那么得到下面的公式：

H（1-Cosα）/Sinα>H/3

（1-Cosα）/Sinα>1/3

3-3Cosα>Sinα

由于兩側均為正數，因此可以同時平方，得到：

9-18Cosα+9（Cosα）2>（Sinα）2

計算結果為：α>37°

因此，當α>37°時，需計算展開，若仍然按照H/3計算展開，會出現缺料。

3 結果分析

彎曲R角區域分析結果為：

當α>50°時，需計算展開。

下陷過渡區域分析結果為：

當α>37°時，需計算展開。

綜合取小值得到，當α>37°時，需計算展開。這個規定不論是標準下陷還是非標準下陷，都有效。

根據結果，對于原腹板面下陷的展開設計規定應調整為：

對腹板面上有深為h的下陷的鈑金零件，當h<1時，展開不加長；當h>1時且當α<37°時，L按h/3計算；當h>1時且當α>37°時，需按二次彎邊計算展開，如圖4所示。

4 結束語

通過對腹板下陷區域的結構分析，結合鈑金零件成型中性面理論，構成了優化設計方法的基本思路。在采用專門的鈑金模塊設計的前提下，這種下陷能夠被正確的展開，但當前部分零件無法通過鈑金模塊設計，因此需要有一定的規則指導展開設計工作，以提高設計效率。在實際工作中，一個零件可能同時存在多種特征，需要進行更多的考慮，避免發生下料過小導致的零件報廢問題。