飛機復合材料構件工裝的數字化設計初探

郭強

摘 要：飛機復合材料的比強度高、比模量大，且耐高溫、抗腐蝕、抗疲勞。基于航空航天追求材料性能第一的理念下，促使其成為復合材料構件工裝數字化設計的重要試驗戰場。基于此，本文主要闡述了復合材料成型模具分析，并闡述了符合材料構件制造數字化技術，以期進一步提升飛機復合材料性能。

關鍵詞：復合材料;數字化;模具設計

引言：新形勢下，國內對于飛機復合材料構件的數字化設計處于初級階段，部分航空企業對復合材料成型模具的數字化設計制造技術重視程度不夠。因此，相關航空企業有必要就構件工裝的數字化設計深入分析，重視材料模具成型的制造過程，確保復合材料構件成型后通過少量加工就能夠滿足數字化設計要求。

一、復合材料成型模具分析

（一）復合材料工藝數模設計

復合材料構件的成型較比常規金屬材料成型不同，是材料與結構同時成型的過程，整個過程要在模具中完成，在具體設計過程中要確保構件成型后不再做任何加工，并且在設計上要嚴格按照設計標準，保持外形、尺寸、力學性能等相關參數滿足設計要求，確保復合材料產品制造順利進行。同時，飛機構件外形大都為曲面，復合材料的數字化設計是保障模具成形加工的關鍵，復合材料在工藝設計上要實現統籌規劃，將外部形狀信息、內部材料組織信息、制造信息、功能信息等相關因素統一起來[1]。復合材料工藝數模設計是數字化制造的基礎，對于后期的數字化制造和數據分析具有指導作用，換言之，數字化制造是將構件數字化設計轉換為制造的形式，數模包括貼模面設計、建立鋪層坐標系、區域和過渡區域的建模及可制造分析等。

（二）復合材料成型模具設計

復合材料構件成型模具設計結構始終隨著工藝方法的變化而變化，其結構設計通常是由上部分型板和下部分支撐組成，要求結構中的板型精度要高，表面質量過硬，保證滿足復合材料設計標準;支撐結構設計主要是控制板型變形，在高負荷狀態下將板型的變形設計控制在合理范圍內，并且保證支撐結構處于良好的通風狀態下，減少模具在熱壓罐內的熱量。由于框架式模具制造過程繁瑣，因此對設計的合理性、科學性要求較高。對于大型的負荷材料壁板制造而言，框架模具必須兼備剛度強、散熱性能好、模具搬運方便等特點。由于傳統的成形模具設計需要耗費大量人力物力資源，對設計人員的理論知識和專業技能要求較高，工作量大，難以從根本上提升設計效率。為有效將大量勞動力從復合材料成形模具設計中解放出來，需要優化現有的設計模式，提升模具設計質量，加快設計周期。

在信息技術的推動下，航空企業加快復合材料構件設計系統的研發步伐，將成組化規范與數字化仿真分析預計結合，并且在復合材料成形方法多樣化情況下，加快設計人員等相關人員的培訓，滲透數字化設計理念。并建立相配套的成組化模塊規范指導設計人員進行數字化設計，確保全面提升設計人員的專業技能和綜合素養，鼓勵設計人員不斷向先進設計單位學習經驗[2]。航空企業通過建立專家知識庫，設計人員能夠根據負荷材料的3D模型，按照模具設計流程進行模具設計，節省人力，將其航空企業設計成本，提高模具的設計質量，有效進行信息存儲。

二、復合材料構建成型工裝數字化設計

（一）模具體的設計

飛機復合材料構建的工裝包括模具、膠接夾具、裝配性架、數控切邊等。通過參數化和模塊化設計方法，提升工裝研制效率，能夠最大化滿足我國新機研制要求。復合材料構建成型模具設計通常分為兩種類型，一是通過在過渡模具直接復制符合材料的模具體;二是通過數控加工得到的金屬材料的模具體。在具體設計流程上，首先要設計好復合材料構建產品數模，提取成型面，確認產品成型面上有無孔，有孔則需要立即修補;然后提取產品輪廓線，利用投影基準平面得到投影線，通過遺傳算法求取投影線外包絡輪廓，從而得到模具體輪廓多邊形，選擇成型面與輪廓多邊形生成基準平面，要求確保曲面和輪廓多邊形滿足設計要求，最后輸入木具體厚度參數，創建成型曲面的等距曲面，反復確認等距曲面是否反方向，在反方向情況下，要以模具體輪廓多邊形拉伸實體，以成型面與等距面切割實體，確保最終等到模具的模具體。

（二）底架的設計

底架設計包括叉車口、環形方鋼、加強方鋼，且彼此之間存在著位置約束的關系，在進行二次開發的情況下，有效實現了復合材料構建成型工裝的參數化設計。飛機復合材料構建多為大尺寸、薄壁結構，在制作精度上要求較高，為保證產品互換協調，利用型架將飛機裝配中的零紐件定位和夾緊，具體參數設計是根據迷局設計創建支架的基準平面、創建支架輪廓的多邊形、支架的拉伸方向，選擇設計基準直線、散熱孔類型，并輸入各種尺寸參數、散熱特征參數，創建底板輪廓的多邊形、U向零件、V向零件、外支撐板等，最后的到可行性的底架設計方案。

（三）復合材料構建制造數字化技術

在進行模具數字化制造過程中，要依靠自動化設備的精密度、高效數字化加工設備，盡可能縮短模具制造過程，提高模具設計質量。其中將數控加工技術作為復合材料成型模具常用的加工制造方法，框架式模具板型、RTM成型模具的型腔等都需要采用數控加工來提升加工質量和工作效率，在具體加工過程中要先對模具表面進行處理，最大化提高模具表面性能，確定模具的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、摩擦性能等，盡量延長模具使用壽命和效果。

三、結論

總之，就飛機復合材料構件工裝數字化設計來看，數字化生產線中包括多方面內容，相關航空工業企業要想有效提升復合材料性能，必須建設數字化設計的總體方案，加強技術研發步伐，結合國內外關于飛機復合材料構件內容，不斷優化設計，確保復合材料構件工裝數字化設計達到標注化程度。

參考文獻：

[1]馬瑛劍.銅包鋁雙金屬復合材料構件工裝的數字化設計[J].世界有色金屬，2019（04）：318-319.

[2]劉順臻，姜洪博，劉東梁.復合材料主承力構件后壓力框制造技術研究[J].航空科學技術，2019，30（07）：40-46.