飞机复合材料构件工装的数字化设计初探

郭强

摘 要：飞机复合材料的比强度高、比模量大，且耐高温、抗腐蚀、抗疲劳。基于航空航天追求材料性能第一的理念下，促使其成为复合材料构件工装数字化设计的重要试验战场。基于此，本文主要阐述了复合材料成型模具分析，并阐述了符合材料构件制造数字化技术，以期进一步提升飞机复合材料性能。

关键词：复合材料;数字化;模具设计

引言：新形势下，国内对于飞机复合材料构件的数字化设计处于初级阶段，部分航空企业对复合材料成型模具的数字化设计制造技术重视程度不够。因此，相关航空企业有必要就构件工装的数字化设计深入分析，重视材料模具成型的制造过程，确保复合材料构件成型后通过少量加工就能够满足数字化设计要求。

一、复合材料成型模具分析

（一）复合材料工艺数模设计

复合材料构件的成型较比常规金属材料成型不同，是材料与结构同时成型的过程，整个过程要在模具中完成，在具体设计过程中要确保构件成型后不再做任何加工，并且在设计上要严格按照设计标准，保持外形、尺寸、力学性能等相关参数满足设计要求，确保复合材料产品制造顺利进行。同时，飞机构件外形大都为曲面，复合材料的数字化设计是保障模具成形加工的关键，复合材料在工艺设计上要实现统筹规划，将外部形状信息、内部材料组织信息、制造信息、功能信息等相关因素统一起来[1]。复合材料工艺数模设计是数字化制造的基础，对于后期的数字化制造和数据分析具有指导作用，换言之，数字化制造是将构件数字化设计转换为制造的形式，数模包括贴模面设计、建立铺层坐标系、区域和过渡区域的建模及可制造分析等。

（二）复合材料成型模具设计

复合材料构件成型模具设计结构始终随着工艺方法的变化而变化，其结构设计通常是由上部分型板和下部分支撑组成，要求结构中的板型精度要高，表面质量过硬，保证满足复合材料设计标准;支撑结构设计主要是控制板型变形，在高负荷状态下将板型的变形设计控制在合理范围内，并且保证支撑结构处于良好的通风状态下，减少模具在热压罐内的热量。由于框架式模具制造过程繁琐，因此对设计的合理性、科学性要求较高。对于大型的负荷材料壁板制造而言，框架模具必须兼备刚度强、散热性能好、模具搬运方便等特点。由于传统的成形模具设计需要耗费大量人力物力资源，对设计人员的理论知识和专业技能要求较高，工作量大，难以从根本上提升设计效率。为有效将大量劳动力从复合材料成形模具设计中解放出来，需要优化现有的设计模式，提升模具设计质量，加快设计周期。

在信息技术的推动下，航空企业加快复合材料构件设计系统的研发步伐，将成组化规范与数字化仿真分析预计结合，并且在复合材料成形方法多样化情况下，加快设计人员等相关人员的培训，渗透数字化设计理念。并建立相配套的成组化模块规范指导设计人员进行数字化设计，确保全面提升设计人员的专业技能和综合素养，鼓励设计人员不断向先进设计单位学习经验[2]。航空企业通过建立专家知识库，设计人员能够根据负荷材料的3D模型，按照模具设计流程进行模具设计，节省人力，将其航空企业设计成本，提高模具的设计质量，有效进行信息存储。

二、复合材料构建成型工装数字化设计

（一）模具體的设计

飞机复合材料构建的工装包括模具、胶接夹具、装配性架、数控切边等。通过参数化和模块化设计方法，提升工装研制效率，能够最大化满足我国新机研制要求。复合材料构建成型模具设计通常分为两种类型，一是通过在过渡模具直接复制符合材料的模具体;二是通过数控加工得到的金属材料的模具体。在具体设计流程上，首先要设计好复合材料构建产品数模，提取成型面，确认产品成型面上有无孔，有孔则需要立即修补;然后提取产品轮廓线，利用投影基准平面得到投影线，通过遗传算法求取投影线外包络轮廓，从而得到模具体轮廓多边形，选择成型面与轮廓多边形生成基准平面，要求确保曲面和轮廓多边形满足设计要求，最后输入木具体厚度参数，创建成型曲面的等距曲面，反复确认等距曲面是否反方向，在反方向情况下，要以模具体轮廓多边形拉伸实体，以成型面与等距面切割实体，确保最终等到模具的模具体。

（二）底架的设计

底架设计包括叉车口、环形方钢、加强方钢，且彼此之间存在着位置约束的关系，在进行二次开发的情况下，有效实现了复合材料构建成型工装的参数化设计。飞机复合材料构建多为大尺寸、薄壁结构，在制作精度上要求较高，为保证产品互换协调，利用型架将飞机装配中的零纽件定位和夹紧，具体参数设计是根据迷局设计创建支架的基准平面、创建支架轮廓的多边形、支架的拉伸方向，选择设计基准直线、散热孔类型，并输入各种尺寸参数、散热特征参数，创建底板轮廓的多边形、U向零件、V向零件、外支撑板等，最后的到可行性的底架设计方案。

（三）复合材料构建制造数字化技术

在进行模具数字化制造过程中，要依靠自动化设备的精密度、高效数字化加工设备，尽可能缩短模具制造过程，提高模具设计质量。其中将数控加工技术作为复合材料成型模具常用的加工制造方法，框架式模具板型、RTM成型模具的型腔等都需要采用数控加工来提升加工质量和工作效率，在具体加工过程中要先对模具表面进行处理，最大化提高模具表面性能，确定模具的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、摩擦性能等，尽量延长模具使用寿命和效果。

三、结论

总之，就飞机复合材料构件工装数字化设计来看，数字化生产线中包括多方面内容，相关航空工业企业要想有效提升复合材料性能，必须建设数字化设计的总体方案，加强技术研发步伐，结合国内外关于飞机复合材料构件内容，不断优化设计，确保复合材料构件工装数字化设计达到标注化程度。

参考文献：

[1]马瑛剑.铜包铝双金属复合材料构件工装的数字化设计[J].世界有色金属，2019（04）：318-319.

[2]刘顺臻，姜洪博，刘东梁.复合材料主承力构件后压力框制造技术研究[J].航空科学技术，2019，30（07）：40-46.