基于DFX的民機復合材料結構設計

藍元沛，胡婷萍，王棟，劉傳軍，李東升

(1.中國商飛上海飛機制造有限公司，復合材料中心，上海 200123；2. 中國商飛北京民用飛機技術研究中心，民用飛機結構與復合材料北京市重點實驗室，北京 102211；3. 中國商用飛機有限責任公司，上海 200126)

0 引言

復合材料在民機結構上的應用情況大致可以分為四個階段：第一階段是應用于受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件；第二階段是應用于升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件；第三階段是應用于垂尾、平尾等受力較大的部件；第四階段即應用于機翼、機身等主要受力部件。

民機安全性、經濟性、舒適性和環保性的發展目標，對結構提出了輕量化、高可靠、長壽命和高效能的要求。復合材料的優勢滿足了民機發展需求。民機機體結構已經出現了復合材料化的趨勢，復合材料的大量應用已成為衡量新一代民機先進性的重要標志，也是爭奪新一輪國際民機市場份額的關鍵因素之一[1]。

當前世界上最具有代表性的新一代大型民用飛機包括波音787飛機和空客A350 XWB飛機，復合材料占機體結構重量比例已超過50%，其重要標志是采用了復合材料機翼和機身。現代大型民機復合材料應用發展如圖1所示。

圖1 現代大型民機復合材料應用發展

雖然復合材料優點很多，但由于結構與材料同時成型的特點使復合材料容易產生制造缺陷，導致其性能分散且影響因素復雜。為此，需要貫徹并行工程理念，采用面向制造的復合材料結構設計理念，綜合考慮選材、制造工藝、檢測維護、成本等因素，從而充分發揮復合材料可設計的優勢，實現結構效率、性能、功能與全壽命期成本綜合優化的綠色設計[2]。

并行工程(Concurrent Engineering)由美國國防部于1982年提出，美國波音公司在1994年波音777飛機研制時采用了并行工程的理念，并在737-X上得到進一步應用和優化[3]。與波音767飛機相比，波音777飛機研制周期縮短了13個月，實現了5年內從設計到試飛的一次性成功[4]。

基于并行工程的設計理念，DFX(Design For X)技術應運而生。DFX技術本身不是設計方法，不直接產生設計方案，而是一種理念、手段和工具，在產品概念設計和詳細設計階段就充分考慮產品生命周期中各個環節的要求，包括制造工藝要求、裝配工藝要求、測試要求、檢測要求、包裝和運輸要求、維修要求、環保要求等，使得產品設計與其他要求之間緊密聯系、相互影響，將其他要求反應到產品設計中，從而保證產品以較低的成本、較高的質量和較短的產品開發周期進行開發。目前，常用的DFX技術如圖2所示[5]。

圖2 常用的DFX技術

由于民機復合材料結構大型化和整體化的特點，民機復合材料結構主要采用面向制造和裝配設計(Design For Manufacturing and Assembly，簡稱DFMA)。

對于一般民機復合材料結構設計，DFMA主要著重考慮[2]：保證構件的工藝質量，避免鋪層設計不合理而導致零件在固化過程中產生翹曲變形、開裂和分層；采用合理的連接設計，盡量少用機械緊固件和連接件，從而減少機械加工和裝配工作量，降低制造成本，減輕零組件重量；結構內部具有通暢性和可達性，便于裝配和維修等。

本文在以往學者研究和其他行業、領域應用的基礎上，提出基于DFX的民機復合材料結構設計，包括面向制造(DFM)、裝配(DFA)、檢測(DFI)、維修(DFS)、環境(DFE)、成本(DFC)、可拆卸(DFD)和回收(DFR)的民機復合材料結構設計。

1 面向制造的復合材料結構設計(DFM)

復合材料結構設計，必須考慮零件的制造可行性，考慮采用自動化制造技術，以降低人為因素影響，提高零件制造質量。

(1)在對壁板、梁等零件進行尺寸定義時，需要考慮熱壓罐尺寸(長度和直徑)限制[6]。

(2)層壓板設計的首要原則是采用對稱均衡鋪層，以避免零件在固化過程中發生翹曲，如圖3所示。

圖3 層壓板鋪層設計考慮

(3)對于鋪層少于16層的層壓板，相鄰鋪層(織物除外)之間的夾角應大于60 °，避免制造缺陷對疲勞強度的影響[6]。

(4)采用自動鋪帶技術時，應考慮自動鋪帶機鋪層交錯拼接間距的限制。

(5)鋪層遞減區間距應大于壓輥寬度，以確保預浸料可壓實。

(6)鋪層遞減區最大斜率應考慮零件出廠無損檢測設備限制。

(7)縱向構件(如長桁、加強筋和梁緣條等)和橫向構件(如肋等)與鋪層遞減區斜坡邊緣的距離，應覆蓋零件位置公差。

2 面向裝配的復合材料結構設計(DFA)

復合材料結構應盡可能采用共固化、共膠接等整體成形技術，以減少裝配工序，降低裝配效率和成本。此外，還應考慮采用犧牲層、工業機器人制孔及在線檢測、激光測量和機器人手臂定位等先進的裝配技術，以提高制孔、裝配的質量、精度和效率。

細節設計時，還應考慮以下幾點。

(1)下陷區緊固件安裝時，應考慮楔形填充物最小空間限制。

(2)緊固件選擇應考慮其安裝最大斜率，不同緊固件可適應的最大角度會有不同。

(3)壁板設計應考慮裝配和拆卸時工程人員的踩踏載荷，避免踩踏引起長桁端頭脫粘[7]。

3 面向檢測的復合材料結構設計(DFI)

本文中的“面向檢測”，主要指結構件在使用維護階段的檢測，包括可視可達、可視不可達、可達不可視、不可視不可達。復合材料結構應設計成可達、可檢。

3.1 可達性設計

(1)檢修口設計時，應考慮開口形狀、尺寸，裝配、檢查、修理或更換等操作所使用的工具。文獻[8]給出了民機復合材料機翼維修開口的常用尺寸。

(2)應考慮不同國家和地區人種的體型特征，以確保飛機維修工程師在修理緊固件安裝、檢測維護時的可達性。

3.2 可檢性設計

根據現有的無損檢測手段，可檢性設計主要考慮以下幾點。

(1)變厚度區應設計成斜坡(斜率一般不高于1 ∶10)，便于超聲檢測。

(2)翼梁和長桁R角半徑不小于3 mm。

(3)R角上相鄰緊固件邊緣距離應大于10 mm。

文獻[6]還給出了一些難以檢測的設計示例。

4面向維修的復合材料結構設計(DFS)

4.1 定義飛機結構的易損區和非易損區

(1)對于飛機機翼、尾翼前緣等易損區，應考慮三次(含)以上擴孔的維修需求。

(2)其他結構一般屬于非易損區，應考慮至少兩次擴孔的維修需求。

4.2 復合材料結構維修性設計

(1)修理方案滿足強度要求。

(2)長桁設計時，考慮采用機械連接修理時的緊固件和維修補片安裝空間。

(3)應考慮采用機械連接修理時，緊固件安裝的緊固件間距、邊距，角邊距考慮裝配和修理緊固件安裝等需求。

(4)從修理實施的角度，應避免使用特殊的維修工具。

5 面向環境的復合材料結構設計(DFS)

面向環境的復合材料結構設計和綠色制造，涵蓋從產品設計、材料選用、采購、加工、運輸、儲存、包裝、使用、回收利用，直至最終處置生命周期過程(圖4)[9]。

圖4 制造企業綠色供應鏈基本流程圖

據統計，被用來制造飛機零部件的原材料中，通常有90%在制造過程中成為了邊角余料。因此，從結構設計的角度，減少廢料率是減少復合材料制造對環境影響的最好辦法[10]。

(1)應考慮預浸料貯存期限制，在操作壽命結束前完成鋪貼和預壓實，在力學性能壽命結束之前開始零件固化。

(2)在蜂窩夾芯結構設計時，應采用蜂窩剪裁、拼貼設計等措施，降低廢料率。

6 面向成本的復合材料結構設計(DFC)

復合材料與結構同時形成的特點，使得復合材料更容易做成整體結構。對于飛機結構而言，采用整體成形工藝，通過一次或多次固化將長桁與蒙皮成形為一個整體結構，可以大量減少零件和緊固件數量、裝配工時，從而降低裝配成本。文獻[11]給出了國內航空復合材料結構產品的成本比重。其中：裝配占45%，預浸料鋪疊占25%，材料占15%，固化占10%，緊固工藝占5%。

由此可見，基于DFC的復合材料結構設計采取的主要措施如下。

(1)采用共固化、膠接共固化或二次膠接等工藝，減少裝配工序，降低裝配成本。

(2)采用液體成型(RTM、RFI)、非熱壓罐成型(OOA)等低成本制造工藝。

(3)統一梁、肋加強筋構型，降低模具采購成本。

(4)減少緊固件選用規格，降低采購成本。

(5)綜合考慮重量、制孔成本、緊固件采購成本、裝配效率等因素，緊固件間距應采用合理區間的較大值。

(6)采用國產輔料(節約成本的貢獻率可達34%)[12]。

7 面向可拆卸的復合材料結構設計(DFD)

進行易拆卸性設計時，應主要考慮：減少拆卸時間，減少緊固件數量，考慮拆卸吊點，以及避免零件拆卸時本身的損壞和損壞產品的其他結構等要求。

基于DFD的復合材料結構設計，需考慮以下幾點。

(1)翼面前、后緣，翼尖罩等易損件，應通過可拆卸面板或口蓋設計，提高結構可達性。

(2)翼梢小翼、方向舵，密封件和油箱口蓋等互/替換件應易于拆卸。

(3)大型可拆卸面板的尺寸和重量應確保兩人可操作。

(4)檢修面板所有緊固件應相同，以便于安裝和拆卸。

(5)根據航空公司維護的需求，檢查面板和口蓋拆卸或打開時間應少于5 min。

8 面向回收的復合材料結構設計(DFR)

目前，民用飛機復合材料結構主要是熱固性復合材料。由于熱固性樹脂基復合材料的樹脂固化物不溶、不熔，且性能穩定，不易降解，因而回收較困難；而碳纖維制造成本高，且在使用后無法被降解，退役或者損壞后只能通過掩埋或者焚燒的方式進行處理，資源浪費情況嚴重，會對環境造成污染。

針對熱固性復合材料，可以使用物理法、熱解法以及超臨界流體法等將復合材料分解、壓碎，從中獲得干凈的碳纖維，并且可以保留其原始的性能，不影響再次使用。復合材料的回收再利用技術依然處在探索和發展的階段，相信在不久的將來會得到更大的進步，從而進一步提高碳纖維的回收率和利用率[2]。

在設計時，復合材料零件的噴漆和涂層選擇應考慮材料的回收處理和再利用。同時，可回收零件應清晰標識，以便拆卸、分類和處理。

與目前民機常用的熱固性樹脂基復合材料相比，熱塑性樹脂基復合材料具有成型周期短、生產效率高，儲存環境要求寬松，可重復加工、廢舊制品可再生利用，以及損傷容限性能好、設計自由度大等優點[2]。隨著新型芳香族熱塑性樹脂基體的不斷發展，熱塑性復合材料在航空航天、交通運輸、醫療、電子、機械等領域得到了越來越廣泛的發展和應用，成為復合材料領域異常活躍的研究開發熱點，在民機特別是大型民機上應用成為發展趨勢之一，也是基于DFR復合材料結構設計的首選材料。

9 DFX的實施

從國內外的經驗來看，并行工程并不單純是一個科學技術問題，它更主要是一個組織問題和企業文化問題[3]。因此，基于并行工程理念的DFX實施，最關鍵就是要采取集成產品團隊(Integrated Product Team，IPT)組織模式。

采取IPT組織模式，以交付物為導向，按構件、分系統、任務劃分作戰單元，每個作戰單元都包括所有涉及的專業，小循環協作，有利于提高效率和質量、降低成本，從而實現產品、技術集成。采取的措施主要包括以下幾項。

(1)建立統一工作平臺。打破集團、單位、部門、專業壁壘，實現跨專業、跨單位、跨集團甚至跨國界并行和協同，以及各層級之間有效溝通，提高產品、技術集成的效率和質量，降低成本。

(2)橫向專業和縱向攻關組的“矩陣式”管理模式。這既可相互支持形成能力，又可相互制約確保質量。同時，還可以明晰各崗位的人員資質和數量需求，從而根據項目任務和進度合理調配人力資源，及時“查缺補漏”。根據專業方向和專業技能有針對性地提出外部人力需求，彌補現有團隊人力不足和技術專長缺項。

(3)以集中辦公為主的工作方式。可以保證外部IPT工作可控，任何涉及零部件結構設計和制造的問題，包括技術細節、制造約束、周期和計劃等，都在第一時間得到溝通，有效推進結構設計制造一體化。

(4)根據人員資質制定固定的工時費用標準。根據實際所需人員工時測算經費，在滿足供應商資質、項目質量和進度要求的前提下，供應商報價的可比性更強，可以有效降低成本。與外包性質相比，項目的經濟性更高。

10 結論

面向制造、裝配、檢測、維修、環境、成本、可拆卸和回收的復合材料結構設計各有側重，也相互聯系，需要從產品全壽命期的角度進行權衡。

基于并行工程理念的DFX實施，最主要是組織和理念的轉變，關鍵是要采取IPT的組織模式。