王 嬈 付友波 趙樹(shù)軍

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司西飛設(shè)計(jì)院，陜西 西安710089）

就復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化而言，其指的是設(shè)計(jì)理念，屬于減少飛機(jī)結(jié)構(gòu)總量、降低制造成本以及加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量的方式，現(xiàn)階段已經(jīng)成為國(guó)際通用飛機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面的主要發(fā)展方向，同時(shí)也屬于我國(guó)復(fù)合材料在應(yīng)用方面的必然發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

二十世紀(jì)末，歐洲及美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家積極投入到復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)研發(fā)事業(yè)中，并取得了累累碩果。例如，空客A380 則利用軟件設(shè)計(jì)及新技術(shù)研發(fā)出復(fù)合型材料，有效縮短了大約24.5%的設(shè)計(jì)時(shí)間，也避免了反復(fù)設(shè)計(jì)。和發(fā)達(dá)國(guó)家相比之下，我國(guó)在復(fù)合材料技術(shù)方面發(fā)展較晚，國(guó)內(nèi)航空企業(yè)立足于國(guó)際合作項(xiàng)目進(jìn)行介入，除了能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升之外，還能夠?qū)ο冗M(jìn)復(fù)合材料零部件結(jié)構(gòu)和相關(guān)制造技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并借鑒成功的管理方式與經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展[1]。在持續(xù)的學(xué)習(xí)與積累過(guò)程中，國(guó)內(nèi)航空企業(yè)能夠促進(jìn)自身能力的提升，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)航空復(fù)合材料制造的發(fā)展。當(dāng)開(kāi)始國(guó)家間合作時(shí)，有些國(guó)際合作轉(zhuǎn)包項(xiàng)目便創(chuàng)新采用了設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，這不僅提高了產(chǎn)品研發(fā)的速度，而且節(jié)約了大量成本投入，并強(qiáng)化了產(chǎn)品質(zhì)量。借助FiberSim、CPD 復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)α慵Y(jié)構(gòu)、幾何進(jìn)行全面觀察，優(yōu)化工藝程序。有關(guān)設(shè)計(jì)人員在對(duì)此類(lèi)軟件進(jìn)行使用的過(guò)程中，可迅速可視化鋪層形狀以及纖維方向，并在設(shè)計(jì)的過(guò)程中就找出制造存在的問(wèn)題，然后運(yùn)用針對(duì)性的方式進(jìn)行改善。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化的研制思路

2.1 對(duì)一體化研發(fā)的理解與解讀

通過(guò)復(fù)材結(jié)構(gòu)研發(fā)所涉及專(zhuān)業(yè)的需求分析，可見(jiàn)其間是相互關(guān)聯(lián)的，所以一體化的研發(fā)思路、一體化的研發(fā)試驗(yàn)規(guī)劃是復(fù)材結(jié)構(gòu)研制的關(guān)鍵[2]。 尤其是材料、工藝（零件制造、模具設(shè)計(jì)制造）、結(jié)構(gòu)的迭代設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、設(shè)備的研發(fā)也與之密切相關(guān)，對(duì)于通用的設(shè)備，會(huì)以采購(gòu)為主，而對(duì)于專(zhuān)用的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，需要結(jié)合結(jié)構(gòu)、工藝并進(jìn)行研發(fā)。也就是說(shuō)自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)是材料、工藝、設(shè)計(jì)迭代的一個(gè)環(huán)節(jié)。規(guī)劃試驗(yàn)要考慮以上所有專(zhuān)業(yè)間的相互關(guān)聯(lián)性。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)過(guò)沖中要考慮使用維護(hù)檢測(cè)和修理要求，最關(guān)鍵是要做到從材料、工藝、設(shè)備、分析、制造、檢測(cè)和維修個(gè)專(zhuān)業(yè)的一體化設(shè)計(jì)與研發(fā)，積木式的研發(fā)試驗(yàn)必須統(tǒng)籌個(gè)專(zhuān)業(yè)來(lái)統(tǒng)一規(guī)劃，而且各項(xiàng)試驗(yàn)個(gè)專(zhuān)業(yè)內(nèi)容緊密的相互關(guān)聯(lián)，一環(huán)套一環(huán)，共同來(lái)確定所研發(fā)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用的材料、工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及全壽命的使用維護(hù)要求。

因此需要深刻理解積木式驗(yàn)證的精髓所在，而不只是從本專(zhuān)業(yè)列出五級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目就算是積木式的驗(yàn)證了。需要具有綜合專(zhuān)業(yè)能力和豐富型號(hào)經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)統(tǒng)籌規(guī)劃。

本項(xiàng)目已全面統(tǒng)籌積木式試驗(yàn)并實(shí)施，而且提出需要按積木式試驗(yàn)進(jìn)行研發(fā)，確定構(gòu)型后，再按積木式試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 材料、工藝、結(jié)構(gòu)的迭代

由于復(fù)合材料具有的可設(shè)計(jì)性和由工藝決定的材料性能特點(diǎn)，決定了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)需要材料、工藝、結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)，既然是設(shè)計(jì)就存在迭代過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程必須包含試驗(yàn)件制造和測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這一迭代過(guò)程需要做的工作和確定的狀態(tài)是：

通過(guò)材料篩選試驗(yàn)選擇材料，針對(duì)結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)選擇適合的工藝，進(jìn)行工藝參數(shù)試驗(yàn)研究，通過(guò)測(cè)試有關(guān)物理和力學(xué)性能，確定工藝參數(shù)的取值范圍；同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、零件制造研究，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)和剖切，研究制造缺陷的工藝改進(jìn)或設(shè)計(jì)改進(jìn)，確定可接收的缺陷，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可制造性，確定選擇的工藝方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。此過(guò)程迭代涉及試樣、元件、典型細(xì)節(jié)和典型結(jié)構(gòu)件的試驗(yàn)，及相關(guān)工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析的迭代。

2.3 一體化的研發(fā)與驗(yàn)證試驗(yàn)規(guī)劃制定

2.3.1 材料研究：材料的篩選與工藝選擇一起進(jìn)行，材料供應(yīng)商，自己也做。

2.3.2 工藝研究：與材料一起進(jìn)行，確定工藝規(guī)范中的參數(shù)，形成工藝規(guī)范，包括無(wú)損檢測(cè)規(guī)范。 針對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)件，進(jìn)行零件成型工藝研究，需要進(jìn)行剖切試驗(yàn)，可按照結(jié)構(gòu)研發(fā)試驗(yàn)件的構(gòu)型一同開(kāi)展。

2.3.3 結(jié)構(gòu)研發(fā)：結(jié)構(gòu)構(gòu)型選擇試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)及選擇，包括各類(lèi)連接試驗(yàn)、分析方法的研究與驗(yàn)證。

2.3.4 許用值：在工藝研究下未完成情況下，先進(jìn)行摸底試驗(yàn)，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮各種使用環(huán)境因素。

2.3.5 損傷容限：研究各典型結(jié)構(gòu)件及細(xì)節(jié)的損傷特性包括制造缺陷、沖擊損傷的引入?？山Y(jié)合結(jié)構(gòu)研發(fā)試驗(yàn)引入。

2.3.6 修理：修理材料、修理工藝、修理設(shè)計(jì)、修理分析、修理試驗(yàn)，確定修理方法。

2.4 零件制造的研發(fā)與驗(yàn)證及制造質(zhì)量流程控制

有了工藝規(guī)范并不代表能制造出各種合格的零件，借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品暴露的問(wèn)題，以及設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)總結(jié)歸納零件制造的研發(fā)過(guò)程，進(jìn)行PPM（Pre Part Manufacture）與PPV（Preproduction Verification）的研發(fā)與驗(yàn)證，并在實(shí)施中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題。

圖1 夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

2.5 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)的管理與控制要求

2.5.1 保證復(fù)材結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量的控制文件體系

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程，嚴(yán)格進(jìn)行材料規(guī)范、設(shè)計(jì)圖樣、驗(yàn)收條件、工藝規(guī)范、制造計(jì)劃、工裝數(shù)模、工裝文件、關(guān)鍵工具、檢測(cè)計(jì)劃等各方面的控制；以及能力鑒定、質(zhì)量控制、批產(chǎn)運(yùn)營(yíng)方面的管理和體系控制。

2.5.2 復(fù)材人員的培訓(xùn)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制過(guò)程中各專(zhuān)業(yè)人員及操作人員都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)，涉及上崗培訓(xùn)、再次培訓(xùn)、考核。

2.5.3 復(fù)材研制的質(zhì)量控制

人，能勝任復(fù)材個(gè)專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員、操作人員、維護(hù)維修人員等；機(jī)：設(shè)備、自動(dòng)化成型裝置；料：材料，包括運(yùn)輸、儲(chǔ)存；法：方法（設(shè)計(jì)方法、制造方法、檢測(cè)方法、維修方法等）；環(huán)：環(huán)境，制造環(huán)境、使用環(huán)境（濕熱、沖擊損傷、輻射、老化等）。

3 復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化研究

3.1 數(shù)字化的設(shè)計(jì)流程

根據(jù)對(duì)合作項(xiàng)目的引入和實(shí)現(xiàn)探究，轉(zhuǎn)變長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)通過(guò)金屬零件設(shè)計(jì)方式對(duì)復(fù)合材料構(gòu)建進(jìn)行設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式，對(duì)此，需要憑借數(shù)字化技術(shù)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)建產(chǎn)品之中的相關(guān)輔層予以定義，如此一來(lái)就能夠讓復(fù)合材料構(gòu)建產(chǎn)品在數(shù)字化方面的定義數(shù)據(jù)從設(shè)計(jì)初期，向著工藝及工裝設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行傳遞。根據(jù)現(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)軟硬件及數(shù)字化設(shè)備，整理復(fù)合材料構(gòu)件在設(shè)計(jì)到制造的相關(guān)數(shù)據(jù)，如下所示：

將三維模型建立起來(lái)后，需要將其應(yīng)用于工裝設(shè)計(jì)制造內(nèi)，然后對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)/制造軟件予以輸入，以便于在三維模型鋪層之中展開(kāi)[3]。完成對(duì)鋪層展開(kāi)的提取之后，應(yīng)運(yùn)用數(shù)據(jù)接口生成下料和鋪層文件、 Virtek 和 General Scanning激光投影系統(tǒng)等，完成之后再通過(guò)數(shù)據(jù)接口將生成的信息輸入到相應(yīng)的是設(shè)備中，進(jìn)而讓這些環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。其次，設(shè)計(jì)制造一體化還能夠集成零件三維模型到制造，讓錯(cuò)誤鋪層尺寸與方向得到降低，同時(shí)優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，避免自動(dòng)切割和優(yōu)化排樣造成過(guò)多的材料浪費(fèi)。圖1 為夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化流程。

3.2 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計(jì)原則

在對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行研究的過(guò)程中，需將理論和實(shí)踐結(jié)合在一起，以此來(lái)建立數(shù)字化設(shè)計(jì)方面的相關(guān)原則。運(yùn)用數(shù)字化方式對(duì)復(fù)合材料予以設(shè)計(jì)時(shí)，不只是需要滿(mǎn)足復(fù)合材料在一般設(shè)計(jì)方面的要求，還應(yīng)嚴(yán)格秉承下面兩點(diǎn)原則：其一，對(duì)接或搭接分開(kāi)的鋪層片，通常需要在連接區(qū)以及存在配合要求的相關(guān)區(qū)域之中進(jìn)行對(duì)接，若在不存在嚴(yán)格要求的區(qū)域進(jìn)行搭接，搭接區(qū)域通常在12-15mm；其二，在對(duì)鋪層制造可行性予以分析的過(guò)程中，若一些材料存在變形過(guò)大的情況，針對(duì)性變革鋪放起始點(diǎn)，并分開(kāi)鋪陳連接、局部區(qū)域打剪口等方式等避免纖維嚴(yán)重變形。針對(duì)預(yù)浸料幅寬的鋪層低于鋪設(shè)方向垂線(xiàn)方向的現(xiàn)象而言，可將預(yù)浸料分成片。同時(shí)，為了進(jìn)一步符合仿真規(guī)定，應(yīng)對(duì)分片位置進(jìn)行優(yōu)化，并合理鋪放起始點(diǎn)。如果零件繁多且復(fù)雜，可在局部地區(qū)打剪口。反之，應(yīng)對(duì)鋪放起始點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避免纖維嚴(yán)重變形，也在具備開(kāi)設(shè)剪口，剪口分為U 型與V 型剪口[4]。其中，如果鋪層受壓較大，造成纖維嚴(yán)重變形，可選取U 型剪口，無(wú)線(xiàn)打補(bǔ)片；V 型剪口則運(yùn)用在纖維因?yàn)槔於霈F(xiàn)的纖維變形，在開(kāi)剪口之后需要進(jìn)行打補(bǔ)片。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化進(jìn)行研究，旨在以讓復(fù)合材料構(gòu)件的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，以此來(lái)推動(dòng)成本的降低，并且這也是信息時(shí)代的必然發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)驗(yàn)證等進(jìn)行了同步銜接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造進(jìn)行全過(guò)程控制，對(duì)減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低制造成本有非常重要的價(jià)值。