基于偏移量方法的民用飞机复合材料机身蒙皮外形预变形设计

2017-10-09马明

科技视界 2017年14期

马明

【摘要】预变形设计是减小民用飞机复合材料蒙皮变形的重要方法。变形前后各段曲线长度变化是衡量变形质量的关键指标。本文分析比较了曲线变形、曲面变形、偏移量变形三种变形方法的长度变化。偏移量方法变形前后长度变化最小。运用偏移量方法对复合材料蒙皮曲面进行预变形设计。变形后曲面满足预变形设计要求。

【关键词】预变形；蒙皮外形；复合材料；民用飞机

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

复合材料能减轻飞机的重量，改善耐腐蚀性能，提升飞机的经济性，是新一代民用飞机先进性和竞争力的重要体现。常见民用飞机机身复材结构形式包括筒状结构和壁板结构。筒状结构能保证复杂曲面形状，但是制造成本较高；壁板结构适用于简单曲面，制造工艺相对简单[1]。对于壁板结构复材蒙皮而言，实际形状与理论形状之间存在变形，如大面积带弧度复材壁板在边缘处回弹明显，如图1所示。这会增加装配应力，降低飞机外形品质，甚至引发灾难事故发生。如何控制并减小变形是提升民用飞机复材蒙皮外形质量的关键。

复合材料的变形机理包括热变形、化学收缩变形、以及由模具所致变形[2]。在制造设备、工艺水平一定的情况下，变形规律是相对稳定的。改善制造工艺设备面临巨大成本投入。现有条件下，可行做法是利用生产过程中积累的变形数据，在理论外形基础上，进行蒙皮外形预变形设计[3]。根据实际变形量预先对理论外形进行补偿性修正，使变形后外形与理论外形一致。进行预变形外形设计是减小复合材料蒙皮变形的突破口。

1 三种曲面变形方法

常用的曲面变形方法有以下三种：曲线变形、曲面变形、偏移量变形。

曲线变形方法如图2所示。根据至少两组曲线r1、r2、r3……与t1、t2、t3……的相对位置关系，对于曲面S进行变形，得到曲面W。在垂直于脊线g的平面P内，P与r1、r2、r3相交于R1、R2、R3……，P与t1、t2、t3……相交于T1、T2、T3……。P与S相交于m。在平面P上，曲线e通过R1、R2、R3、……。曲线f通过T1、T2、T3、……。对于曲线m上一点Q，作其沿v方向的在e上的投影Qr。接下来作出Qr在f上的对应点Qt。Qw根据向量计算得到Qw=Q+。

曲面变形方法如图3所示。根据曲面R和T对曲面S进行变形，得到曲面W。对于S上任一点Q，作Q在R上的投影Qr。在T上作Qr的对应点Qt。则Qw=Q+。

偏移量变形方法如图4所示。对于曲面S上的点Q，根据Qw=Q+v（Q）进行偏移得到变形后的曲面W。

2 效果比较

为了消除复材壁板在边缘处的回弹，对曲面外形进行预变形设计，使变形后实际外形与理论外形一致。变形过程中保持曲面中部不变，使曲面上、下边界线向外扩张。变形后曲面其余部分依照原曲面外形光滑过渡，如图5所示。变形前后保证：（1）曲面总面积不变；（2）各边界线长度不变。

复材机身蒙皮具有曲率分段连续的特点。变形前后各段长度变化量是衡量变形质量的重要指标。为了分析比较不同变形方法的效果，选取典型三段圆弧曲面作为研究对象，如图6所示。前、后边界各段长度如表1所示。曲面在上、下边界处向外扩张最大1.5mm。变形后曲面其余部分依照原曲面外形光滑过渡。

分别按照上述三种方法变形后，各段长度变形前后的变化量如图7所示。

比较发现，偏移量方法变形前后各段曲线长度变化量最小。

3 变形实例

采用偏移量变形方法对如图8所示后机身曲面进行预变形设计。上、下边界向外扩张的预变形量为6.5mm。

变形前后总长度变化量为±0.01%，各段变化量在-0.06%到0.11%之间。满足曲面预变形设计要求。

4 结论

预变形设计能减小民用飞机复合材料蒙皮变形。衡量变形质量的关键指标是变形前后各段曲线的长度变化。本文在分析比较曲线变形、曲面变形、偏移量变形三种方法长度变化的基础上，发现偏移量方法变形前后长度变化最小。运用偏移量方法对机身复材蒙皮曲面进行预变形设计。变形后曲面满足预变形设计要求。