探析民用航空飞机维修中复合材料结构装配连接技术

探析民用航空飞机维修中复合材料结构装配连接技术

温巍

山东航空股份有限公司青岛分公司   山东  青岛  266300

摘要：先进复合材料以比重小、强度高、疲劳性能好等优点在飞机中得到应用，大型客机大量采用先进复合材料结构已经成为航空领域发展的重要态势。随着先进复合材料在新机结构上应用比例的大幅度提高，更多的复材装配协调与应力控制的问题因此产生，复材构件装配协调与应力控制技术已成为我国飞机制造的关键技术之一。

关键词：民用航空飞机维修；复合材料；结构装配；连接技术

1、复合材料在民航飞机上的功用

 复合材料的有效应用完善了承载力构件之间的转换，由复合材料制作的飞机机身、飞机尾翼等结构在我国民用航空飞机制造中应用程度十分广泛。例如带整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功，复合材料在我国民工航空制造工程中的应用已经取得了良好的成绩。特别是在飞机机翼制造上选用复合材料，使得飞机机翼的重量大幅度的减少，对于飞机的结构也有着较好的调整，使得飞机飞行的品质有着一定的程度的提升，选用复合材料已经渐渐成为提高飞机整体性能的有效途径。机翼结构是民用航空飞机的主承力结构，机翼承受着多种高载荷，翼面外形较为复杂。复合材料的应用保证了机翼表面光滑和外形的准确性，满足了翼面包括外翼和中翼的气动弹性要求，其刚度和强度满足了飞机的稳定性和寿命要求。而且复合材料的应用对民用航天飞机在检查维护过程中具有良好的使用维护性和可修理性。复合材料在民用航空飞机机身结构上的功用。机身是飞机的躯干，其上连接着机翼、尾翼等部件，它们互相连接固定在一起，组成了一架完整的飞机。复合材料在民用航空飞机机身结构上的应用保证了机身承受各装载物的质量力和各连接部件受力构件载荷的协调传递。

2、国内飞机复合材料结构连接技术现状

2.1连接件种类、规格、设备能力有限

与我国正在研制的大飞机项目所需标准件相比，我国生产的可用于复合材料结构飞机连接的高质量、高可靠性标准件种类、规格有限，设备能力有限，性能有待于进一步提高。在国际航空业飞速发展的形势下，国内及需开发新材料、研制新型紧固件、扩大生产能力，来满足国内先进复合材料结构飞机的连接需求。

2.2工艺落后、机械化、自动化程度不高

国内在复合材料结构连接方面已采用自动钻铆和电磁铆接技术，但应用还不普遍，柔性装配技术受到广泛关注.已有相当数量的研究项目正在实施，有望在不久的将来得到推广和应用。国内复合材料结构飞机连接以手工作业为主，自动化半自动化装配作业为辅，除个别主机厂配有自动钻铆机，但仍在小范围应用之中，局限于开敞度较高的壁板结构中，如西飞、成飞、北京航空制造工程研究所等。

为提高工作效率，减少操作人数和工作量。国内已重视采用先进的装配连接技术，加大在自动钻铆技术和设备方面的研制，并取得了一定的成果。中航工业西飞全自动数控托架系统的研制成功及相关数据处理技术，在ARJ21机翼壁板铆接中顺利实施，填补了国内航空工业大型壁板自动铆接技术的空白，为自动钻铆设备铆接复合材料壁板奠定了基础。

国内由沈阳机床、北航、沈飞联合研制的多功能制孔执行器顺利实施，为发展机器人装配制孔技术奠定了基础。国内机器人复合材料自动钻铆技术刚刚起步，由北京机器人研究所和北京航空制造工程研究所联合研制的机器人复合材料自动钻铆系统尚处于开发阶段，离推广应用还有很大距离。国外电磁铆接技术应用已比较成熟，国内仅有西工大、北京航空制造工程研究所、成飞等单位在电磁铆接设备和铆接工艺等方面进行了一定研究，但还未进入工程化应用。

3、飞机复合材料结构装配连接技术

3.1飞机柔性装配定位技术

飞机柔性装配定位技术是利用飞机装配过程中涉及到的梁框和支撑结构件进行自定位组装。一般的飞机柔性装配定位技术能帮助飞机工装的零部件实现自定位或借助光学仪器实现位置跟踪完成定位支撑，能有效减少在飞机组装过程中使用到的装配零部件数量，降低飞机装配中框架的连接件数目和钻孔数目，从本质上降低飞机装配的工装数量且减少材料的消耗。但是飞机柔性装配定位技术需要配合精密测量仪器才能完成自定位装配工作。而精密测量仪器需要满足高效率以及高精度的要求，一般在装配定位中使用精密仪器的数量较多，装配孔定位技术包括了自动化制孔以及便携式柔性制孔等技术，能在飞机装配过程中满足大批量结构件的生产和装配，显著提升装配零部件的装配效率，同时借助钛合金等复合材料，满足装配工作中合金以及飞机结构的硬度要求。

3.2复材构件装配偏差建模

复材构件的装配协调须考虑复材构件自身的尺寸偏差、形状偏差、定位误差、夹持方法与连接工艺等，需要研究考虑几何外形、材质差异、定位与夹紧等多因素的复材构件偏差的综合描述方法，为后续复材构件偏差建模、公差设计奠定基础。主要包括如下3方面：（1）针对复材构件制造实际，积累基础数据，获得复材构件制造偏差的分布。包括典型的复材梁、壁板等构件的尺寸、形状、厚度等偏差信息，以及相应的制造工艺和技术条件等。全尺寸复材构件制造偏差的数据积累，能够有效提升复材构件装配偏差预测结果的准确度。（2）复材构件的材质误差描述方法。针对复材构件不同铺层、纤维材料与树脂性能波动以及工艺参数波动造成的板料厚度、机械性能等参数的变化，研究复材构件材质性能参数的统计特性，定义复材构件材质误差的描述向量来表达复材构件材质误差，实现形状协调的同时也满足装配性能的要求。（3）定位和夹紧方案对装配偏差的影响。由于复材构件制造偏差的特殊性，定位和夹紧方案直接影响复材构件的装配偏差、连接性能等。研究如何建立与实际情况相符的边界条件和装配偏差预测模型（如复材构件多属性装配尺寸链模型等），准确描述复材构件实际制造偏差以及定位和夹紧方案造成的间隙或干涉工况，而非理论设计或实验室测试时的理想状态。

3.3装配应力对复材构件疲劳性能影响规律

复材构件的装配协调首先要满足尺寸、形状等几何精度要求。在此基础上，运用合理的装配工艺参数（定位、夹紧、连接），对构件装配应力进行调控，保证最终产品整体装配应力水平满足设计要求，达到服役性能要求。疲劳性能是产品服役性能的重要内容之一，可将疲劳性能作为飞机复材精准装配的目标和依据，确定具体的装配工艺参数和协调方法。主要研究内容包括：（1）针对复材典型结构细节（如开孔、变厚度、变截面等），研究典型疲劳试件制作以及在疲劳试件中加入初始内应力模拟装配应力的方法，通过疲劳试验积累基础数据。（2）针对复材构件不同装配结构和特征试件的疲劳试验数据，研究多试件疲劳性能的综合方法，实现对复材构件整体疲劳性能的评价，探索装配应力对复材整体结构疲劳性能的影响规律，实现全尺寸复材部件的装配协调和应力控制。（3）将疲劳性能的要求转化为装配应力控制要求的方法。由于复材构件的制造偏差，复材构件在形状协调时应引入装配应力，这些应力会影响复材结构的疲劳性能。同时，由于复材构件不同的几何特征（如开孔、变厚度、变截面等），导致复材构件装配后各处的装配应力存在差异。

结束语：现代飞机复合材料的使用是未来的发展趋势，但是复合材料的结构构件使用，应该做好结构构件的连接，加强对复合材料结构构件连接技术的研究，不断提升我国连接技术的智能化和自动化水平，同时加强高质量和高性能的先进复合材料连接件的研究，生产出新型高端的结构构件。

参考文献

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