藍(lán)元沛，胡婷萍，王棟，劉傳軍，李東升

(1.中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司，復(fù)合材料中心，上海 200123；2. 中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211；3. 中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200126)

0 引言

復(fù)合材料在民機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用情況大致可以分為四個(gè)階段：第一階段是應(yīng)用于受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件；第二階段是應(yīng)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(yīng)用于垂尾、平尾等受力較大的部件；第四階段即應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等主要受力部件。

民機(jī)安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性的發(fā)展目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)提出了輕量化、高可靠、長壽命和高效能的要求。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)滿足了民機(jī)發(fā)展需求。民機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)合材料化的趨勢(shì)，復(fù)合材料的大量應(yīng)用已成為衡量新一代民機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，也是爭(zhēng)奪新一輪國際民機(jī)市場(chǎng)份額的關(guān)鍵因素之一[1]。

當(dāng)前世界上最具有代表性的新一代大型民用飛機(jī)包括波音787飛機(jī)和空客A350 XWB飛機(jī)，復(fù)合材料占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量比例已超過50%，其重要標(biāo)志是采用了復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身?，F(xiàn)代大型民機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代大型民機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展

雖然復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)很多，但由于結(jié)構(gòu)與材料同時(shí)成型的特點(diǎn)使復(fù)合材料容易產(chǎn)生制造缺陷，導(dǎo)致其性能分散且影響因素復(fù)雜。為此，需要貫徹并行工程理念，采用面向制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，綜合考慮選材、制造工藝、檢測(cè)維護(hù)、成本等因素，從而充分發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率、性能、功能與全壽命期成本綜合優(yōu)化的綠色設(shè)計(jì)[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(jī)研制時(shí)采用了并行工程的理念，并在737-X上得到進(jìn)一步應(yīng)用和優(yōu)化[3]。與波音767飛機(jī)相比，波音777飛機(jī)研制周期縮短了13個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了5年內(nèi)從設(shè)計(jì)到試飛的一次性成功[4]。

基于并行工程的設(shè)計(jì)理念，DFX(Design For X)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。DFX技術(shù)本身不是設(shè)計(jì)方法，不直接產(chǎn)生設(shè)計(jì)方案，而是一種理念、手段和工具，在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段就充分考慮產(chǎn)品生命周期中各個(gè)環(huán)節(jié)的要求，包括制造工藝要求、裝配工藝要求、測(cè)試要求、檢測(cè)要求、包裝和運(yùn)輸要求、維修要求、環(huán)保要求等，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)與其他要求之間緊密聯(lián)系、相互影響，將其他要求反應(yīng)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，從而保證產(chǎn)品以較低的成本、較高的質(zhì)量和較短的產(chǎn)品開發(fā)周期進(jìn)行開發(fā)。目前，常用的DFX技術(shù)如圖2所示[5]。

圖2 常用的DFX技術(shù)

由于民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)大型化和整體化的特點(diǎn)，民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要采用面向制造和裝配設(shè)計(jì)(Design For Manufacturing and Assembly，簡(jiǎn)稱DFMA)。

對(duì)于一般民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，DFMA主要著重考慮[2]：保證構(gòu)件的工藝質(zhì)量，避免鋪層設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致零件在固化過程中產(chǎn)生翹曲變形、開裂和分層；采用合理的連接設(shè)計(jì)，盡量少用機(jī)械緊固件和連接件，從而減少機(jī)械加工和裝配工作量，降低制造成本，減輕零組件重量；結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有通暢性和可達(dá)性，便于裝配和維修等。

本文在以往學(xué)者研究和其他行業(yè)、領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出基于DFX的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括面向制造(DFM)、裝配(DFA)、檢測(cè)(DFI)、維修(DFS)、環(huán)境(DFE)、成本(DFC)、可拆卸(DFD)和回收(DFR)的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 面向制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFM)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮零件的制造可行性，考慮采用自動(dòng)化制造技術(shù)，以降低人為因素影響，提高零件制造質(zhì)量。

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

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

圖3 層壓板鋪層設(shè)計(jì)考慮

(3)對(duì)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(yīng)大于60 °，避免制造缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響[6]。

(4)采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪層交錯(cuò)拼接間距的限制。

(5)鋪層遞減區(qū)間距應(yīng)大于壓輥寬度，以確保預(yù)浸料可壓實(shí)。

(6)鋪層遞減區(qū)最大斜率應(yīng)考慮零件出廠無損檢測(cè)設(shè)備限制。

(7)縱向構(gòu)件(如長桁、加強(qiáng)筋和梁緣條等)和橫向構(gòu)件(如肋等)與鋪層遞減區(qū)斜坡邊緣的距離，應(yīng)覆蓋零件位置公差。

2 面向裝配的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFA)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能采用共固化、共膠接等整體成形技術(shù)，以減少裝配工序，降低裝配效率和成本。此外，還應(yīng)考慮采用犧牲層、工業(yè)機(jī)器人制孔及在線檢測(cè)、激光測(cè)量和機(jī)器人手臂定位等先進(jìn)的裝配技術(shù)，以提高制孔、裝配的質(zhì)量、精度和效率。

細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

(1)下陷區(qū)緊固件安裝時(shí)，應(yīng)考慮楔形填充物最小空間限制。

(2)緊固件選擇應(yīng)考慮其安裝最大斜率，不同緊固件可適應(yīng)的最大角度會(huì)有不同。

(3)壁板設(shè)計(jì)應(yīng)考慮裝配和拆卸時(shí)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(cè)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFI)

本文中的“面向檢測(cè)”，主要指結(jié)構(gòu)件在使用維護(hù)階段的檢測(cè)，包括可視可達(dá)、可視不可達(dá)、可達(dá)不可視、不可視不可達(dá)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成可達(dá)、可檢。

3.1 可達(dá)性設(shè)計(jì)

(1)檢修口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(xiàn)[8]給出了民機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼維修開口的常用尺寸。

(2)應(yīng)考慮不同國家和地區(qū)人種的體型特征，以確保飛機(jī)維修工程師在修理緊固件安裝、檢測(cè)維護(hù)時(shí)的可達(dá)性。

3.2 可檢性設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有的無損檢測(cè)手段，可檢性設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)。

(1)變厚度區(qū)應(yīng)設(shè)計(jì)成斜坡(斜率一般不高于1 ∶10)，便于超聲檢測(cè)。

(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(yīng)大于10 mm。

文獻(xiàn)[6]還給出了一些難以檢測(cè)的設(shè)計(jì)示例。

4面向維修的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFS)

4.1 定義飛機(jī)結(jié)構(gòu)的易損區(qū)和非易損區(qū)

(1)對(duì)于飛機(jī)機(jī)翼、尾翼前緣等易損區(qū)，應(yīng)考慮三次(含)以上擴(kuò)孔的維修需求。

(2)其他結(jié)構(gòu)一般屬于非易損區(qū)，應(yīng)考慮至少兩次擴(kuò)孔的維修需求。

4.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修性設(shè)計(jì)

(1)修理方案滿足強(qiáng)度要求。

(2)長桁設(shè)計(jì)時(shí)，考慮采用機(jī)械連接修理時(shí)的緊固件和維修補(bǔ)片安裝空間。

(3)應(yīng)考慮采用機(jī)械連接修理時(shí)，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(shí)施的角度，應(yīng)避免使用特殊的維修工具。

5 面向環(huán)境的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFS)

面向環(huán)境的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和綠色制造，涵蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料選用、采購、加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)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(yè)綠色供應(yīng)鏈基本流程圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)，被用來制造飛機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，減少廢料率是減少復(fù)合材料制造對(duì)環(huán)境影響的最好辦法[10]。

(1)應(yīng)考慮預(yù)浸料貯存期限制，在操作壽命結(jié)束前完成鋪貼和預(yù)壓實(shí)，在力學(xué)性能壽命結(jié)束之前開始零件固化。

(2)在蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用蜂窩剪裁、拼貼設(shè)計(jì)等措施，降低廢料率。

6 面向成本的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFC)

復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)同時(shí)形成的特點(diǎn)，使得復(fù)合材料更容易做成整體結(jié)構(gòu)。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)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(gè)整體結(jié)構(gòu)，可以大量減少零件和緊固件數(shù)量、裝配工時(shí)，從而降低裝配成本。文獻(xiàn)[11]給出了國內(nèi)航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的成本比重。其中：裝配占45%，預(yù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tǒng)一梁、肋加強(qiáng)筋構(gòu)型，降低模具采購成本。

(4)減少緊固件選用規(guī)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(yīng)采用合理區(qū)間的較大值。

(6)采用國產(chǎn)輔料(節(jié)約成本的貢獻(xiàn)率可達(dá)34%)[12]。

7 面向可拆卸的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFD)

進(jìn)行易拆卸性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要考慮：減少拆卸時(shí)間，減少緊固件數(shù)量，考慮拆卸吊點(diǎn)，以及避免零件拆卸時(shí)本身的損壞和損壞產(chǎn)品的其他結(jié)構(gòu)等要求。

基于DFD的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需考慮以下幾點(diǎn)。

(1)翼面前、后緣，翼尖罩等易損件，應(yīng)通過可拆卸面板或口蓋設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)可達(dá)性。

(2)翼梢小翼、方向舵，密封件和油箱口蓋等互/替換件應(yīng)易于拆卸。

(3)大型可拆卸面板的尺寸和重量應(yīng)確保兩人可操作。

(4)檢修面板所有緊固件應(yīng)相同，以便于安裝和拆卸。

(5)根據(jù)航空公司維護(hù)的需求，檢查面板和口蓋拆卸或打開時(shí)間應(yīng)少于5 min。

8 面向回收的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DFR)

目前，民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要是熱固性復(fù)合材料。由于熱固性樹脂基復(fù)合材料的樹脂固化物不溶、不熔，且性能穩(wěn)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(jìn)行處理，資源浪費(fèi)情況嚴(yán)重，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

針對(duì)熱固性復(fù)合材料，可以使用物理法、熱解法以及超臨界流體法等將復(fù)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(fù)合材料的回收再利用技術(shù)依然處在探索和發(fā)展的階段，相信在不久的將來會(huì)得到更大的進(jìn)步，從而進(jìn)一步提高碳纖維的回收率和利用率[2]。

在設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)合材料零件的噴漆和涂層選擇應(yīng)考慮材料的回收處理和再利用。同時(shí)，可回收零件應(yīng)清晰標(biāo)識(shí)，以便拆卸、分類和處理。

與目前民機(jī)常用的熱固性樹脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有成型周期短、生產(chǎn)效率高，儲(chǔ)存環(huán)境要求寬松，可重復(fù)加工、廢舊制品可再生利用，以及損傷容限性能好、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)[2]。隨著新型芳香族熱塑性樹脂基體的不斷發(fā)展，熱塑性復(fù)合材料在航空航天、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、電子、機(jī)械等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，成為復(fù)合材料領(lǐng)域異?；钴S的研究開發(fā)熱點(diǎn)，在民機(jī)特別是大型民機(jī)上應(yīng)用成為發(fā)展趨勢(shì)之一，也是基于DFR復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選材料。

9 DFX的實(shí)施

從國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)來看，并行工程并不單純是一個(gè)科學(xué)技術(shù)問題，它更主要是一個(gè)組織問題和企業(yè)文化問題[3]。因此，基于并行工程理念的DFX實(shí)施，最關(guān)鍵就是要采取集成產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)(Integrated Product Team，IPT)組織模式。

采取IPT組織模式，以交付物為導(dǎo)向，按構(gòu)件、分系統(tǒng)、任務(wù)劃分作戰(zhàn)單元，每個(gè)作戰(zhàn)單元都包括所有涉及的專業(yè)，小循環(huán)協(xié)作，有利于提高效率和質(zhì)量、降低成本，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、技術(shù)集成。采取的措施主要包括以下幾項(xiàng)。

(1)建立統(tǒng)一工作平臺(tái)。打破集團(tuán)、單位、部門、專業(yè)壁壘，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨單位、跨集團(tuán)甚至跨國界并行和協(xié)同，以及各層級(jí)之間有效溝通，提高產(chǎn)品、技術(shù)集成的效率和質(zhì)量，降低成本。

(2)橫向?qū)I(yè)和縱向攻關(guān)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(zhì)量。同時(shí)，還可以明晰各崗位的人員資質(zhì)和數(shù)量需求，從而根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)和進(jìn)度合理調(diào)配人力資源，及時(shí)“查缺補(bǔ)漏”。根據(jù)專業(yè)方向和專業(yè)技能有針對(duì)性地提出外部人力需求，彌補(bǔ)現(xiàn)有團(tuán)隊(duì)人力不足和技術(shù)專長缺項(xiàng)。

(3)以集中辦公為主的工作方式?？梢员ＷC外部IPT工作可控，任何涉及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的問題，包括技術(shù)細(xì)節(jié)、制造約束、周期和計(jì)劃等，都在第一時(shí)間得到溝通，有效推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化。

(4)根據(jù)人員資質(zhì)制定固定的工時(shí)費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)際所需人員工時(shí)測(cè)算經(jīng)費(fèi)，在滿足供應(yīng)商資質(zhì)、項(xiàng)目質(zhì)量和進(jìn)度要求的前提下，供應(yīng)商報(bào)價(jià)的可比性更強(qiáng)，可以有效降低成本。與外包性質(zhì)相比，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性更高。

10 結(jié)論

面向制造、裝配、檢測(cè)、維修、環(huán)境、成本、可拆卸和回收的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各有側(cè)重，也相互聯(lián)系，需要從產(chǎn)品全壽命期的角度進(jìn)行權(quán)衡。

基于并行工程理念的DFX實(shí)施，最主要是組織和理念的轉(zhuǎn)變，關(guān)鍵是要采取IPT的組織模式。