飞机复合材料壁板装配变形控制技术研究与应用进展

飞机复合材料壁板装配变形控制技术研究与应用进展

唐行彬

山东太古飞机工程有限公司 250107

摘要：飞机采用的主要结构材料之一就是复合材料，因为其优异的比强度和高刚度以及抗腐蚀性和轻量化等优点。在复合材料装配过程中，由于其非均匀性和可塑性比传统的金属材料更高，因此精确定位和控制装配工艺中会出现更多的挑战。具体来说，在复合材料壁板装配过程中，由于其受到外力的影响，易出现变形现象，如拱形变形、扭曲变形等。这些变形会导致装配精度下降，增加后续处理工序，或者甚至导致飞机结构受力降低，从而严重影响飞机的使用性能和安全性。因此，对飞机复合材料壁板装配变形控制技术进行深入研究和应用具有重要意义。

关键词：飞机复合材料壁板；装配变形控制；应用进展

1复合材料在飞机结构中的应用

1.1机身结构

复合材料被广泛应用于飞机机身结构的制造中，包括机身外壳、机翼和尾翼等部分。复合材料的高强度和轻质特性可以减轻飞机的重量，提高飞机的载荷能力和燃油效率，并且能够提供更好的抗腐蚀性能，延长飞机使用寿命。

1.2襟翼和扰流板

复合材料也被广泛应用于飞机的襟翼和扰流板等部件中。襟翼和扰流板需要具备较高的刚度和轻质性能，以便在飞行中提供良好的操纵和控制效果，复合材料能够满足这些要求，同时减轻整体结构重量。

1.3燃油箱和液压油箱

复合材料在飞机燃油箱和液压油箱的制造中也有应用。复合材料能够提供较好的密封性能和抗腐蚀性能，可以减少燃油和液压液泄漏的风险，并提高系统的可靠性和安全性。

1.4座舱内饰

复合材料也被广泛应用于飞机座舱内饰中，如座椅、壁板、天花板等部件。复合材料可以提供更好的舒适性和耐用性，同时降低结构重量，提高乘客的舒适性和安全性。

2飞机复合材料壁板装配变形控制技术应用研究

2.1变形机理研究

①复合材料由纤维增强体和基体组成，不同方向上的材料性能和性质会有所差异。这种材料的非均匀性会导致装配过程中的应变分布不均，进而引起变形。②复合材料的拉伸和压缩强度可能存在差异，而装配过程中，复合材料的壁板可能同时遭受拉伸和压缩力。这种拉伸-压缩失配会导致壁板弯曲和扭转。③复合材料在制造或加工过程中可能产生残余应力，例如纤维层的张应力或基体的收缩应力。这些残余应力在装配过程中可能会被激活，引起变形。④多层复合材料结构中存在粘接层，它的性能和质量会影响复合材料壁板的变形行为。粘接层的刚度和刚固性不均匀性可能会导致壁板的拱形和旋转变形。⑤装配过程中的不对称施载可能会破坏复合材料壁板的对称性，进而导致变形。

2.2变形预测模拟

利用CAD软件建立复合材料壁板三维模型，包括壁板的几何形状、材料参数、层厚比、孔洞等信息。复合材料的力学性质一般为非线性，需要采用合适的材料本构模型来描述其应力-应变关系。根据实际装配情况，设置壁板的边界条件，如约束条件、载荷条件、接触条件等，以模拟实际装配环境下的应力和变形状态。利用正交化预处理技术对模型进行预处理，以提高模型的数值稳定性和解析效率。同时，对模型进行模态分析，以确定自然频率和振型，为后续仿真分析提供基础。根据装配过程中的施工顺序和装配力的大小方向，设置数值仿真计算模型，通过数值分析的方法求解壁板在装配过程中的应力、应变和位移场，得出变形情况。对计算结果进行分析和比较，从而评估装配工艺对壁板变形的影响，并确定需要采取的措施以控制壁板的变形。

2.3装配工艺优化

根据装配材料的特性和装配过程的要求，通过调整工艺参数来控制装配过程中的变形。例如，调整装配温度、时间、压力等参数，优化树脂固化过程中的收缩和热应力。合理安排装配工艺顺序，以减少装配过程中的变形。通过分析装配工艺的先后顺序，对不同步骤的装配顺序进行优化，避免不对称装配和局部过度变形。设计适用的夹具来固定和定位复合材料壁板，确保装配过程中的稳定性和精度。夹具的设计应考虑壁板的形状、材料特性以及装配过程中可能产生的变形。考虑不同的装配方式，选择最适合的方式来减少变形。例如，采用预应力装配方式、激光对准装配技术等来减少装配过程中的变形。利用合适的控制算法，根据实测的变形数据，及时调整装配参数和装配策略，实现装配过程中的实时控制和优化。

2.4变形测量与反馈控制

常见的变形测量方法包括光栅衍射、机械测量、电阻片片阻、红外热像法等。根据具体需要选择适合的测量方法，确保精度和实时性。将变形测量装置获取的信号采集到数据采集系统中，以便后续数据处理和分析。通常使用传感器、数据采集卡等设备来实现变形信号的采集。对采集到的变形数据进行滤波、去噪、校正等处理，获取准确可靠的变形数据。数据处理过程中应注意减少噪声干扰和误差。根据测得的变形数据进行分析，评估装配过程中的变形情况，确定是否需要进行反馈控制。当变形超过阈值或超过预定的变形范围时，触发控制系统进行调整。根据变形分析的结果，通过控制算法和控制策略，对装配参数、装配力、温度等进行调整，通过实施控制策略来减少或消除装配过程中的变形。通过反馈控制后再次进行变形测量，验证控制效果，根据需要再次进行调整和优化。

2.5材料与结构优化

①材料优化。根据壁板的应用需求，选择适合的复合材料。考虑材料的刚度、强度、热膨胀系数、热导率、湿热性能等多个方面的特性，以满足装配和使用条件的要求。根据壁板的受力情况和预期的变形特性，优化布层方案和纤维取向。通过控制纤维角度和层数分布，实现壁板在装配过程中的控制变形。②结构优化。通过优化壁板的几何形状，可降低材料的集中应力和变形。采用曲率最小化原则，以及合适的曲率连续性和过渡区，来优化壁板的外形。通过设计合适的加强节点和连接方式，使得壁板在装配和使用过程中的受力分布更加均匀，减少变形的集中效应。对于大尺寸壁板，采用合适的拼接方案和连接技术，减少拼接处的应力集中，提高拼接的刚度和强度。控制壁板与其他部件之间的空隙，避免装配过程中的过度压缩或间隙过大，以减少由此引起的变形。③多物理场优化。综合考虑热-机械-湿-热等多种物理场的耦合效应，采用多物理场优化方法，通过对材料、结构参数的优化，实现在多个物理场作用下的装配性能最优化。

3未来研究的方向展望

3.1自动化装配技术

进一步开发和应用自动化装配技术，如机器人装配、智能装配系统等，实现飞机复合材料壁板装配的高度自动化和精度控制。研究集成先进的传感、控制和计划算法，提高装配的效率和准确性。

3.2优化装配工艺和装配工具

进一步优化装配工艺和工具，通过工艺参数、夹具设计、装配顺序等多种手段，减少装配过程中的变形，并提高装配质量和精度。研究设计新型夹具和装配工具，以适应复合材料壁板的特点和装配要求。

3.3大面积复合材料壁板装配

针对大尺寸和大面积复合材料壁板的装配，开展相关研究，解决装配过程中的变形问题。研究大面积壁板的加工、加固和连接技术，提出适合的装配策略，提高装配精度和效率。

3.4多物理场耦合效应研究

考虑热-机械-湿-热等多种物理场的耦合效应，研究在多物理场作用下复合材料壁板的装配变形控制。开展多物理场仿真和实验研究，探索多物理场耦合效应对装配性能的影响，并提出相应的控制策略和优化设计方法。

结语：

总而言之，飞机复合材料壁板装配变形控制技术的研究与应用不断取得进展，为飞机制造业的发展提供了重要支撑。未来，随着科学技术的不断进步和应用需求的不断增加，这一领域仍将持续发展，并为飞机装配质量的提升做出更大贡献。

参考文献：

[1]张桂书.飞机复合材料构件装配间隙补偿研究[D].南京:南京航空航天大学,2015.

[2]张秋月,安鲁陵,岳烜德,等.基于遗传算法的飞机复合材料结构装配压紧力大小与布局的优化[J].复合材料学报,2019,36(6):1546–1557.