復材壁板裝配變形和應力控制研究

徐智峰 溫愷 黃寧

摘要：各飛機制造企業，逐漸采用復材整體壁板代替傳統的金屬組裝壁板。但由于飛機壁板輪廓曲面復雜、結構尺寸大，各生產環節的綜合誤差十分繁復，尤其復材整體壁板本身剛度不足，在裝配中其必然存在一定的變形。通過裝配型架定位元件、先進的補償加工工藝、限制壁板變形、合理規劃緊固件連接方案等控制措施，基本可以實現對于復材整體壁板的應力控制與變形校正。

關鍵詞：復材壁板;裝配變形;應力控制

1 壁板裝配應力的成因

裝配應力是飛機制造中各環節誤差累積的結果。對于復材整體壁板來說，通常在其裝配階段的定位、補償、保（校）形、連接等四種操作過程中，不易控制裝配應力的產生。

1.1 定位

定位是產品裝配的初始操作，也是產生誤差和應力的重要來源。對于剛性體零件，一般采用傳統的“3-2-1”定位原則，準確約束零件的六向自由度，定位誤差相對較小，但對于壁板類零件，由于零件本身難以維持理論形狀，必須以“過定位”的形式，強行限制變形，采用“N-2-1”定位原則（在壁板易變形方向設置N處定位點）。雖然“過定位”方式能夠實現壁板類零件的定位，但方法本身便不可避免地產生了一定的裝配應力。

1.2 補償

復材整體壁板很難與骨架完全貼合，通常要對骨架與壁板之間的間隙進行測量采集，進而采用打磨零件或加墊補償的方法實現兩者之間的協調，否則會導致壁板強迫裝配產生嚴重的裝配應力。傳統裝配補償工藝的操作過程繁瑣、耗時，存在較大資源浪費，降低連接部位的疲勞壽命，壁板裝配應力的控制效果較差。

1.3 保（校）形

裝配變形指的是產品在裝配過程中，由于受各種工藝因素的綜合影響，其尺寸偏差不斷地產生、累積和傳遞，最終形成實際尺寸相對于設計尺寸的差值。復材整體壁板自身剛度較弱，在裝配過程中往往存在不同程度的變形。目前，國內飛機制造企業的做法，多是利用型架卡板或繃帶施加外力，產生保（校）形的效果，來完成壁板的裝配。這種完全依賴經驗的方法，缺乏理論依據和量化指標，使得壁板裝配應力未得到有效地抑制。

1.4 連接

連接是裝配的重要環節之一。對于大型壁板的緊固件連接工作，由于緊固件數量多，壁板與骨架配合間隙情況復雜，以往規劃緊固件的連接順序，完全依靠生產經驗進行，始終難以避免裝配應力的產生，壁板整體安裝質量的穩定性差，存在返工和超差的隱患。

2. 裝配應力的有效控制方法

2.1 裝配型架定位、夾緊元件

主動控制復材整體壁板的協調變形和裝配應力情況，大多需要依靠裝配型架來實現。通過調整裝配型架上的定位器、夾持單元，可以優化配置夾緊力的作用點、大小、方向和操作順序。對于復材整體壁板，裝配定位器的數量與位置，對于其定位效果，影響非常明顯，而提供夾緊力的工裝組件除考慮防止復材損傷外，更要合理控制夾緊力的大小。當前最優的裝配定位、夾緊方式，是基于力控制的零件柔性定位方法，即在工裝的定位、夾緊元件上，設置傳感器和控制器，實時反饋裝配應力情況。裝配應力超過許用數值時，控制器通過多步迭代，可將工裝定位、夾緊元件即時調整到最優裝配位置。

2.2 先進的補償加工工藝

近十年來，歐美國家的軍民機都逐漸探索高效、精準、自動化的工藝補償技術。如F35戰機和A350客機，采用了獨特的裝配加工補償系統：對機體骨架外形進行數字化測量，擬合出配合面間隙和干涉的三維形狀數據，生成柔性機器人的運動軌跡，利用裝有增材制造功能的末端執行器在零件表面對應間隙處自動精確地施加墊片，同時用裝有銑刀的執行器在零件表面對應干涉處進行自動銑削。通過這種補償工藝，顯著地縮減了飛機制造周期，良好地保證了裝配應力的控制效果。

2.3 限制裝配變形

一些先進的航空制造企業，高度重視飛機壁板的變形控制與安全校正問題，但由于涉及核心關鍵技術，詳細的工藝技術資料很難搜集。顯而易見，增強壁板自身剛度，控制壁板裝配變形是保證壁板外形準確度，減少裝配應力的研究方向。通過現場調研了解到：在壁板上安裝數字化工藝控制接頭，能夠有效抑制壁板裝配變形量。根據實時觀測布置在壁板上的若干組檢測點，采用點動控制的方式，驅動相關數控定位器移動牽引壁板，可使壁板變形得到有效校正。工藝接頭可對壁板局部剛度進行加強，能夠對壁板整體變形起到一定程度的調控作用，進而通過數控定位器移動牽引，還能一定程度上校正壁板形狀。

2.4 壁板緊固件的連接工藝規劃

使用緊固件對復材整體壁板進行連接時，依照合理有效的工藝原則，可以顯著減少裝配應力的產生。通過裝配型架的卡板或繃帶，可將壁板劃分為若干個獨立單元。卡板處，壁板與骨架基本貼合，非卡板處，壁板與骨架之間存在一定的貼合間隙。緊固件的連接，可以減少壁板與骨架之間的貼合間隙，但會導致機體材料出現向遠端延展的變形趨勢：

若機體材料的延展趨勢存在于單元內，則會導致單元內出現裝配應力，這種情況必須避免。

若機體材料的延展趨勢傳遞到單元外，鄰近單元壁板與骨架之間的貼合間隙會增加，則鄰近單元也應通過卡板和緊固件，消除或減小貼合間隙。進一步分析，延展趨勢會繼續傳導到其他方向上，未進行緊固的鄰近單元，以此類推，應該確保每個獨立單元內，都不因積累材料變形而出現明顯裝配應力。

3.結論

由于缺乏對復材整體壁板協調形變和裝配應力的深入認知與研究，導致國內飛機制造企業始終沿用一些低質量、低效率、高風險的壁板裝配工藝方法，嚴重削弱了復合材料高比強度、高比模量的優點。無論是限制壁板變形、補償加工等國內企業可以成熟運用的裝配工藝，還是復材增韌、自適應力控裝配等仍尚待開發推廣的先進技術，都是實現復材整體壁板應力控制與變形校正的有效方式。掌握裝配應力控制方法，是航空制造業發展大勢所趨，需要更多專業者進一步地完善應用，繼續創新。

參考文獻

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