自動化生產在航空復合材料零件鍛造中的應用研究

摘要：由于航空復合材料零件的性能參數要求較高，導致鍛造產出的合格率難以得到有效保障，為此，提出自動化生產在航空復合材料零件鍛造中的應用研究。首先，利用有限元分析軟件ANSYS構建了航空復合材料零件有限元模型，通過模擬零件的受力特點和邊界條件，對航空復合材料零件鍛造的參數進行優化；其次，在生產階段，引入了自動化生產技術，以滿足零件設計要求的有限元模型參數為基準，控制各個加工環節，實現對零件的鍛造生產。在測試結果中，各設計參數的合格率始終在95.0%以上，最大值達到了98.4%，應用效果較好。

關鍵詞：航空復合材料零件有限元模型、受力特點、邊界條件、參數優化、自動化生產技術、合格率

中圖分類號：TG316文獻標識碼：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

航空工業的迅猛發展和技術的不斷進步對高性能、高可靠性的航空復合材料零件的需求日益增長。航空復合材料因其優異的力學性能和耐腐蝕性，在航空器的制造中扮演著至關重要的角色。然而，傳統的鍛造工藝在面對復雜形狀、高精度要求的航空復合材料零件時，往往難以滿足現代航空制造業對效率、精度和質量的高標準要求。為了應對這一挑戰，自動化生產技術應運而生，并逐漸在航空復合材料零件鍛造中展現出巨大的應用潛力。自動化生產不僅能夠提高生產過程的效率和精度，還能夠有效縮短生產周期，降低制造成本，同時提升零件的整體性能。因此，自動化生產在航空復合材料零件鍛造中的應用研究成為當前的熱點話題。本研究旨在深入探討自動化生產如何提升航空復合材料零件鍛造過程的效率與質量，全面分析其在降低成本、縮短生產周期、提高零件性能等方面的潛力。通過本研究，期望能夠為航空制造業的轉型升級提供有力的理論支持和實踐指導，推動航空復合材料零件鍛造技術的進一步發展和創新。

1航空復合材料零件鍛造技術設計

1.1航空復合材料零件有限元模型構建

為保障航空復合材料零件的參數能夠滿足設計要求，本文首先構建了航空復合材料零件有限元模型。其中，具體實現過程涵蓋的關鍵步驟如圖1所示。

按照圖1所示的方式，首先根據航空復合材料零件的實際幾何形狀、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，包括長度、寬度、高度、圓角等細節。同時，根據零件的受力情況和邊界條件，設置相應的約束和載荷。在此基礎上，根據零件的幾何形狀和受力特點，將幾何模型劃分為有限個單元（三角形單元或四邊形單元），準確模擬零件的力學行為。在此過程中，需要確保單元之間具有連續性，且不發生重疊[2]。之后，根據復合材料的具體類型和規格，為每個單元定義復合材料的屬性，包括彈性模量、泊松比、密度，并使用軟件中的復合材料層合結構定義工具，通過直接輸入材料本構矩陣的方式定義零件復合材料性質[3，4]。再使用軟件中的網格劃分工具，自動完成節點和單元的連接。結合鍛造航空復合材料零件的受力特點和邊界條件，使用軟件中的荷載施加工具，根據零件的受力特點和邊界條件設計要求，施加靜力荷載、動力荷載等[5]，以模擬零件在實際工作中的受力情況。本文使用ANSYS軟件中的求解器，自動完成有限元方程的求解過程。根據求解結果，分析零件的應力、應變、位移等力學行為，確定零件的薄弱環節對單元大小、材料屬性以及工藝進行優化和改進[7]。

按照上述所示的方式，實現對航空復合材料零件有限元模型的構建，將其作為后續零件鍛造的執行基礎。

1.2航空復合材料零件自動化生產

結合1.1構建航空復合材料零件有限元模型輸出的最優工藝參數信息，本文在具體執行零件的鍛造加工過程中，引入了自動化生產技術。其中，具體的實現方法如圖2所示。

按照圖2所示的方式，根據零件的具體設計要求，材料準備加工所需的復合材料，并按照有限元模型輸出的參數信息對所選材料進行預處理，具體的處理包括切割、打磨，以此確保材料質量符合生產要求[6-7]。需要特別注意的是，對于粉末狀的高性能復合材料，需要從低溫冷庫中取出并進行熱壓罐、恒溫恒濕凈化間、烘干房環節的處理，通過這樣的方式，最大限度確保原材料的質量和穩定性能夠達到零件加工的設計要求[8]。

按照上述所示的方式，借助自動化生產的方式實現對航空復合材料零件鍛造加工，確保零件的質量和性能能夠達到設計要求。

2應用分析

2.1測試準備

在具體的測試階段，本文以應用于航空的某TC4鈦合金鍛件為基礎開展具體的對比測試，其中，零件的具體參數信息配置情況如表1所示。

其中，TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）是一種（α+β）型鈦合金，具有優良的耐蝕性、小的密度、高的比強度以及較好的韌性和焊接性。在此基礎上，結合具體的工藝條件和熱處理方式，對具體的鍛造方法進行測試。

2.2測試結果與分析

在上述測試環境的基礎上，分別采用冷熱循環下鋁基復合材料構件尺寸穩定性提升設計方法[2]和基于高體積分數SiC/Al復合材料的零件加工質量提升設計方法[3]作為測試的對照組，對不同鍛造方法下，生產零件的參數合格率進行對比分析，得到的數據結果如表2所示。

結合表2所示的測試結果可以看出，在3種不同方法下，對應TC4鈦合金鍛件各設計指標的合格率表現出了不同的特點。其中，采用冷熱循環下鋁基復合材料構件尺寸穩定性提升設計方法[2]，各設計參數的合格率基本穩定在94.0%-96.0%區間范圍內；在基于高體積分數SiC/Al復合材料的零件加工質量提升設計方法[3]下，各設計參數的合格率波動更加明顯，對應的最大值達到了96.6%，最小值僅為93.7%；在本文設計方法下，各設計參數的合格率始終在95.0%以上，最大值達到了98.4%。

3結語

航空復合材料零件鍛造的質量要求極高，需要精密制造和嚴格控制多層結構的復雜性。因此，本文提出自動化生產在航空復合材料零件鍛造中的應用研究，切實提高了零件生產的合格率，具有良好的實際應用價值，可為提高航空復合材料零件的性能和可靠性提供了有力支持。

參考文獻

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