基于偏移量方法的民用飛機復合材料機身蒙皮外形預變形設計

馬明

【摘 要】預變形設計是減小民用飛機復合材料蒙皮變形的重要方法。變形前后各段曲線長度變化是衡量變形質量的關鍵指標。本文分析比較了曲線變形、曲面變形、偏移量變形三種變形方法的長度變化。偏移量方法變形前后長度變化最小。運用偏移量方法對復合材料蒙皮曲面進行預變形設計。變形后曲面滿足預變形設計要求。

【關鍵詞】預變形；蒙皮外形；復合材料；民用飛機

Pre-deformation design of skin profile of civil aircraft composite material based on offset method

MA Ming

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai， 201210，China）

【Abstract】Pre-deformation design is an important method to reduce the composites skin deformation of civil aircraft. The variation in length of the curve before and after the deformation is the critical index of deformation quality. This paper analyses and compares the length variation of three deformation methods： curve deformation， surface deformation and offset deformation. The length variation of the offset method is minimal before and after deformation. Application of offset method to pre-deformation design of composite skin surface is conducted. The result meets the pre-deformation design requirements.

【Key words】Pre-deformation； Skin profile； Composite material； Civil aircraft

0 前言

復合材料能減輕飛機的重量，改善耐腐蝕性能，提升飛機的經濟性，是新一代民用飛機先進性和競爭力的重要體現。常見民用飛機機身復材結構形式包括筒狀結構和壁板結構。筒狀結構能保證復雜曲面形狀，但是制造成本較高；壁板結構適用于簡單曲面，制造工藝相對簡單[1]。對于壁板結構復材蒙皮而言，實際形狀與理論形狀之間存在變形，如大面積帶弧度復材壁板在邊緣處回彈明顯，如圖1所示。這會增加裝配應力，降低飛機外形品質，甚至引發災難事故發生。如何控制并減小變形是提升民用飛機復材蒙皮外形質量的關鍵。

復合材料的變形機理包括熱變形、化學收縮變形、以及由模具所致變形[2]。在制造設備、工藝水平一定的情況下，變形規律是相對穩定的。改善制造工藝設備面臨巨大成本投入。現有條件下，可行做法是利用生產過程中積累的變形數據，在理論外形基礎上，進行蒙皮外形預變形設計[3]。根據實際變形量預先對理論外形進行補償性修正，使變形后外形與理論外形一致。進行預變形外形設計是減小復合材料蒙皮變形的突破口。

1 三種曲面變形方法

常用的曲面變形方法有以下三種：曲線變形、曲面變形、偏移量變形。

曲線變形方法如圖2所示。根據至少兩組曲線r1、r2、r3……與t1、t2、t3……的相對位置關系，對于曲面S進行變形，得到曲面W。在垂直于脊線g的平面P內，P與r1、r2、r3相交于R1、R2、R3……，P與t1、t2、t3……相交于T1、T2、T3……。P與S相交于m。在平面P上，曲線e通過R1、R2、R3、……。曲線f通過T1、T2、T3、……。對于曲線m上一點Q，作其沿v方向的在e上的投影Qr。接下來作出Qr在f上的對應點Qt。Qw根據向量計算得到Qw=Q+。

曲面變形方法如圖3所示。根據曲面R和T對曲面S進行變形，得到曲面W。對于S上任一點Q，作Q在R上的投影Qr。在T上作Qr的對應點Qt。則Qw=Q+。

偏移量變形方法如圖4所示。對于曲面S上的點Q，根據Qw=Q+v（Q）進行偏移得到變形后的曲面W。

2 效果比較

為了消除復材壁板在邊緣處的回彈，對曲面外形進行預變形設計，使變形后實際外形與理論外形一致。變形過程中保持曲面中部不變，使曲面上、下邊界線向外擴張。變形后曲面其余部分依照原曲面外形光滑過渡，如圖5所示。變形前后保證：（1）曲面總面積不變；（2）各邊界線長度不變。

復材機身蒙皮具有曲率分段連續的特點。變形前后各段長度變化量是衡量變形質量的重要指標。為了分析比較不同變形方法的效果，選取典型三段圓弧曲面作為研究對象，如圖6所示。前、后邊界各段長度如表1所示。曲面在上、下邊界處向外擴張最大1.5mm。變形后曲面其余部分依照原曲面外形光滑過渡。

分別按照上述三種方法變形后，各段長度變形前后的變化量如圖7所示。

比較發現，偏移量方法變形前后各段曲線長度變化量最小。

3 變形實例

采用偏移量變形方法對如圖8所示后機身曲面進行預變形設計。上、下邊界向外擴張的預變形量為6.5mm。

變形前后總長度變化量為±0.01%，各段變化量在-0.06%到0.11%之間。滿足曲面預變形設計要求。

4 結論

預變形設計能減小民用飛機復合材料蒙皮變形。衡量變形質量的關鍵指標是變形前后各段曲線的長度變化。本文在分析比較曲線變形、曲面變形、偏移量變形三種方法長度變化的基礎上，發現偏移量方法變形前后長度變化最小。運用偏移量方法對機身復材蒙皮曲面進行預變形設計。變形后曲面滿足預變形設計要求。

【參考文獻】

[1]馬立敏，張嘉振，岳廣華，劉建全，薛佳.復合材料在新一代大型民用飛機中的應用[J].復合材料學報.2015（32）：317-322.

[2]胡清，邱航波，郭紹華，王翀.復合材料層壓結構變形機理分析及解決措施[J].裝備制造技術.2013（3）：147-153.

[3]徐江鋒.大展弦比無人機機翼預變形研究[D].南昌.南昌航空大學.2013.

[責任編輯：朱麗娜]endprint