复材壁板装配变形和应力控制研究

徐智峰 温恺 黄宁

摘要：各飞机制造企业，逐渐采用复材整体壁板代替传统的金属组装壁板。但由于飞机壁板轮廓曲面复杂、结构尺寸大，各生产环节的综合误差十分繁复，尤其复材整体壁板本身刚度不足，在装配中其必然存在一定的变形。通过装配型架定位元件、先进的补偿加工工艺、限制壁板变形、合理规划紧固件连接方案等控制措施，基本可以实现对于复材整体壁板的应力控制与变形校正。

关键词：复材壁板;装配变形;应力控制

1 壁板装配应力的成因

装配应力是飞机制造中各环节误差累积的结果。对于复材整体壁板来说，通常在其装配阶段的定位、补偿、保（校）形、连接等四种操作过程中，不易控制装配应力的产生。

1.1 定位

定位是产品装配的初始操作，也是产生误差和应力的重要来源。对于刚性体零件，一般采用传统的“3-2-1”定位原则，准确约束零件的六向自由度，定位误差相对较小，但对于壁板类零件，由于零件本身难以维持理论形状，必须以“过定位”的形式，强行限制变形，采用“N-2-1”定位原則（在壁板易变形方向设置N处定位点）。虽然“过定位”方式能够实现壁板类零件的定位，但方法本身便不可避免地产生了一定的装配应力。

1.2 补偿

复材整体壁板很难与骨架完全贴合，通常要对骨架与壁板之间的间隙进行测量采集，进而采用打磨零件或加垫补偿的方法实现两者之间的协调，否则会导致壁板强迫装配产生严重的装配应力。传统装配补偿工艺的操作过程繁琐、耗时，存在较大资源浪费，降低连接部位的疲劳寿命，壁板装配应力的控制效果较差。

1.3 保（校）形

装配变形指的是产品在装配过程中，由于受各种工艺因素的综合影响，其尺寸偏差不断地产生、累积和传递，最终形成实际尺寸相对于设计尺寸的差值。复材整体壁板自身刚度较弱，在装配过程中往往存在不同程度的变形。目前，国内飞机制造企业的做法，多是利用型架卡板或绷带施加外力，产生保（校）形的效果，来完成壁板的装配。这种完全依赖经验的方法，缺乏理论依据和量化指标，使得壁板装配应力未得到有效地抑制。

1.4 连接

连接是装配的重要环节之一。对于大型壁板的紧固件连接工作，由于紧固件数量多，壁板与骨架配合间隙情况复杂，以往规划紧固件的连接顺序，完全依靠生产经验进行，始终难以避免装配应力的产生，壁板整体安装质量的稳定性差，存在返工和超差的隐患。

2. 装配应力的有效控制方法

2.1 装配型架定位、夹紧元件

主动控制复材整体壁板的协调变形和装配应力情况，大多需要依靠装配型架来实现。通过调整装配型架上的定位器、夹持单元，可以优化配置夹紧力的作用点、大小、方向和操作顺序。对于复材整体壁板，装配定位器的数量与位置，对于其定位效果，影响非常明显，而提供夹紧力的工装组件除考虑防止复材损伤外，更要合理控制夹紧力的大小。当前最优的装配定位、夹紧方式，是基于力控制的零件柔性定位方法，即在工装的定位、夹紧元件上，设置传感器和控制器，实时反馈装配应力情况。装配应力超过许用数值时，控制器通过多步迭代，可将工装定位、夹紧元件即时调整到最优装配位置。

2.2 先进的补偿加工工艺

近十年来，欧美国家的军民机都逐渐探索高效、精准、自动化的工艺补偿技术。如F35战机和A350客机，采用了独特的装配加工补偿系统：对机体骨架外形进行数字化测量，拟合出配合面间隙和干涉的三维形状数据，生成柔性机器人的运动轨迹，利用装有增材制造功能的末端执行器在零件表面对应间隙处自动精确地施加垫片，同时用装有铣刀的执行器在零件表面对应干涉处进行自动铣削。通过这种补偿工艺，显著地缩减了飞机制造周期，良好地保证了装配应力的控制效果。

2.3 限制装配变形

一些先进的航空制造企业，高度重视飞机壁板的变形控制与安全校正问题，但由于涉及核心关键技术，详细的工艺技术资料很难搜集。显而易见，增强壁板自身刚度，控制壁板装配变形是保证壁板外形准确度，减少装配应力的研究方向。通过现场调研了解到：在壁板上安装数字化工艺控制接头，能够有效抑制壁板装配变形量。根据实时观测布置在壁板上的若干组检测点，采用点动控制的方式，驱动相关数控定位器移动牵引壁板，可使壁板变形得到有效校正。工艺接头可对壁板局部刚度进行加强，能够对壁板整体变形起到一定程度的调控作用，进而通过数控定位器移动牵引，还能一定程度上校正壁板形状。

2.4 壁板紧固件的连接工艺规划

使用紧固件对复材整体壁板进行连接时，依照合理有效的工艺原则，可以显著减少装配应力的产生。通过装配型架的卡板或绷带，可将壁板划分为若干个独立单元。卡板处，壁板与骨架基本贴合，非卡板处，壁板与骨架之间存在一定的贴合间隙。紧固件的连接，可以减少壁板与骨架之间的贴合间隙，但会导致机体材料出现向远端延展的变形趋势：

若机体材料的延展趋势存在于单元内，则会导致单元内出现装配应力，这种情况必须避免。

若机体材料的延展趋势传递到单元外，邻近单元壁板与骨架之间的贴合间隙会增加，则邻近单元也应通过卡板和紧固件，消除或减小贴合间隙。进一步分析，延展趋势会继续传导到其他方向上，未进行紧固的邻近单元，以此类推，应该确保每个独立单元内，都不因积累材料变形而出现明显装配应力。

3.结论

由于缺乏对复材整体壁板协调形变和装配应力的深入认知与研究，导致国内飞机制造企业始终沿用一些低质量、低效率、高风险的壁板装配工艺方法，严重削弱了复合材料高比强度、高比模量的优点。无论是限制壁板变形、补偿加工等国内企业可以成熟运用的装配工艺，还是复材增韧、自适应力控装配等仍尚待开发推广的先进技术，都是实现复材整体壁板应力控制与变形校正的有效方式。掌握装配应力控制方法，是航空制造业发展大势所趋，需要更多专业者进一步地完善应用，继续创新。

参考文献

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