淺析民用航空零部件制造業中彈塑性力學的應用

羅道堅

摘 要：簡要介紹了我國民用航空制造業的現狀，民用航空零件制造業的現狀和技術要求，彈塑性力學在航空零件制造中的應用，彈塑性力學與CAE/CAM的融合對航空零件制造企業的發展的促進作用。

關鍵詞：民用航空制造業；彈塑性力學

民用航空零部件制造主要是指用于民用航空產品上的零件、部件、儀表、機載設備、液壓系統和附件等各種零配件的制造。

《國務院關于促進民航業發展的若干意見》的頒布為通用航空產業帶來了空前的發展機遇，促使多方投資經營通用航空制造業、航空維修以及其他民航相關項目，極大的促進了我國緊急救護、工業航空、公務航空、私人航空等民用航空產業的發展。

現代民用航空飛機為了達更高的飛行速度、更靈活的機動性、更大的負載、更遠的航程、更優的穩定性，積極的采用新技術、新材料，使飛機零部件質量越來越輕、結構型面越來越復雜、尺寸越來越大、制造精度越來越高。

航空零部件除大量采用鋁合金材料外，還廣泛運用高強度鋼、鈦合金、耐高溫合金、工程陶瓷和復合材料等，為了提高這些昂貴材料的航空零部件的強度和可靠性，進一步節約原材料，提高生產效率，彈塑性力學便越來越多的用在了航空制造業中。

1 航空制造業的產品制造和技術分析

1）航空零部件因承受多軸復雜載荷、幾何突變、零件的缺口導致相關區域的應力狀態極為復雜，對零件的設計、制造要求更高。

2）航空飛機的框、壁板、翼肋等零件采用薄壁設計，以減小飛機的重量。這些薄壁構件形狀復雜、精度要求高、尺寸相對較大、剛度相對較弱，由于對薄壁構件變形機理研究還不夠深，在加工的過程中，無法預測加工零件的變形情況并優化工藝參數，導致加工零件誤差大。

3）航空制造業中各類零部件的尺寸、結構、數量、規格懸殊較大，而且生產批量小、生產周期短。對制造企業的工藝系統、工藝裝備要求較高。

4）很多現代航空制造業的零件采用無余量裝配，故而對零件的加工精度要求非常高，進一步加大了加工的難度。

5）航空制造業較多地采用整體結構設計的零件，這些零件在切削加工過程中需要去除大量的材料，極大的增加了切削加工量。

6）輕量化的零件通常采用深腔、薄壁結構，導致結構剛性較弱，加工過程中非常容易導致加工變形。

2 彈塑性力學的在我國民用航空制造業的應用

近年來，我國民用航空制造技術保持較高的發展速度，但相較于發達國家，整體水平仍然很低。表現在，從業者普遍依賴于從業經驗，切削刀具及切削參數等工藝參數的選用缺乏科學依據；行業整體對先進機床的性能及加工技術掌握不足，數控加工的應用水平較低；沒有建成完善的航空制造數據庫，先進制造單元不能充分協同配合，無法充分發掘和利用先進制造技術的優勢。

彈塑性力學在國外的企業的運用已經基本普及，而國內（尤其西部地區）進行材料彈塑性力學分析的應用較少，欲加快中西部追趕東部沿海地區、國內追趕國際的步伐，需重視彈塑性力學在制造業的應用：

1）運用彈塑性力學對對航空飛行器機身的梁、框、肋、壁板等薄壁多腔的鋁合金或鈦合金框架結構的材料零件的進行性能參數分析，建立切削力有限元模型進行模擬和測試，可以減少原材料的消耗，降低研發成本。

2）在運用CAE/CAM設計的階段，運用彈塑性力學對高溫合金或耐高溫的復合材料制成的發動機壓氣機、燃燒室、渦輪等關鍵零件和部件進行分析和優化，可以提高此類異型環狀結構零件的產品剛度，提高航空飛行器的安全性，縮短研發周期，減少企業運營的成本。

3）我國部分制造型企業憑從業者經驗或使用試錯法編制加工工藝，難以保證加工零件質量的穩定性，容易導致加工零件報廢，造成企業的損失。運用CAE/CAM結合彈塑性力學分析易變形進行的薄壁整體結構件，構建“加工變形與夾緊順序”優選模型，優化走刀路徑、進給速度、吃刀量，調整加工工藝順序，選取合適的夾緊力，進而減少試驗次數，保證加工產品的質量，提高企業生產的效率。

4）CAE/CAM結合彈塑性力學、金屬加工工藝學、材料等多門學科建立有限元模型開發產品，可以較為準確的模擬加工過程，盡可能將產品的缺陷消除在模擬加工生產階段，縮短產品設計和生產周期。虛擬制造完成裝備與工藝的緊密結合，提高企業經濟效益，提升企業競爭力和企業形象。

3 總結

數值模擬技術在航空制造業中應用不斷深入，但也僅限于某些中大型企業上，部分為中大型航空飛機做配套服務的小企業仍然極少應用有限元分析。只有當中小型企業由代工轉型為參與研發，重視數值仿真計算，培養彈塑性變形研究和有限元分析的良好氛圍，才能更快地推進“中國制造”向“中國智造”的轉型的進程，才有可能在國際航空制造行業競爭中站穩腳跟，進一步取得領先地位和突破性成果。

參考文獻：

[1] 趙均海.彈性力學及有限元.武漢理工大學出版社.

[2] 徐芝綸.彈性力學.高等教育出版社.

[3] 施普爾，克勞舍.虛擬產品開發技術.機械工業出版社.

[4] 韓志仁，鄭暉，賀平.飛機制造技術基礎·機械加工.北京航空航天大學出版社.