基于3D打印技术的B737襟翼展开模型设计

摘  要：复杂的结构导致飞机维修困难且耗时，有时还会受限于零部件，导致飞机无法及时维修。近年来，随着科技创新发展，3D打印技术在某些简单制造行业已获得成功应用。而在航空业，3D打印技术也在不断探索与推进，如果能够成功应用，那么对于航空制造业而言将是一次划时代的变革。现选取B737襟翼为3D打印模型，从结构系统和控制系统两大部分出发，通过3D打印技术打印出B737襟翼模型，模拟襟翼的收放，并从设计思想和运动状态两点对收放分别进行了探究。

关键词：3D打印技术;B737;模型设计;襟翼展开

1    3D打印技术的应用与可靠性

1.1    3D打印技术在航空航天上的应用

在航空航天领域，美国是当之无愧的先行者，例如Optomec Design公司对故障的飞机发动机零件基于新件打印进行修复，效果显著。此外，波音公司也紧随其后，用3D打印技术打印出了飞机上大约300个不同的零部件。NASA的航天研究中心还对打印出的火箭发动机喷嘴进行了高温点火实验。除了以上两个领域外，3D打印技术在工业制造、食品生活、军工武器等方面都有所应用并且潜力巨大。

1.2    3D打印技术的可靠性

3D打印技术可以节省材料，提高材料利用率。用其替代传统的生产线，可以小量生产，降低成本;能够对精度和复杂程度较高的零部件进行制造;能够直接通过CAD和Pro/E等计算机辅助设计软件将图形转化为实物;而且分布式生产的特点决定了它能够随打随取，生产速度快，平面图纸到实物在短短几小时内就可以完成。此外，组装好的产品也可以进行打印，因此降低了组装成本。

在航空方面的应用，难度在于航材打印材料的研发，既要满足材料强度和刚度的要求，同时又要可以应用在3D打印机上，这样才能保证打印出来的组件可以直接用作航空维修的配件。但是随着科技进步，未来的发展方向必然趋向于3D打印技术的应用，该技术的逐渐成熟将引发时代的变革。

2    B737襟翼展開模型设计思想

襟翼在飞机起飞和降落时都应该是处于展开状态的。起飞时展开是因为展开的襟翼增加了机翼面积，从而达到了增加升力的效果。降落时展开襟翼是为了降低飞机的着陆速度，增大阻力，从而能够快速地使飞机进行减速。

因为条件有限，所以采用树脂粉末材料进行打印。可以观察到打印是从最底层逐渐向上进行叠加，最终完成整个襟翼的打印，打印完成后会残留一些原材料，可以进行回收利用。

襟翼的各部分是分开打印出来的，打印好之后需要进行组装。主要是摇臂和连杆的连接，连杆和襟翼的连接，组件之间打孔由中心轴连接。

3    展开模型

展开模型主要是从以下两方面进行的：

3.1    Pro/E绘图结构设计

利用3D打印制造模型，首先要利用计算机辅助设计软件Pro/E进行产品的图纸设计，然后将电脑与3D打印机连接，将数字信号转换成模拟信号进行3D打印。

在制图之前，首先在图纸上进行了襟翼模型的图纸绘画，对襟翼各部分尺寸的大小进行初步的设计并在图纸上进行尺寸标注，例如每层襟翼的厚度、宽度，襟翼弧线的弯曲弧度。因为B737的后缘襟翼是双开缝式襟翼，在设计时要注意各级襟翼尺寸的契合度，确保能够自由安全地展开。

设计大体如图1所示。

3.2    襟翼的展开形态

双开缝式襟翼的展开形态共有三种，即Ⅰ级形态、Ⅱ形形态、Ⅲ级形态，分别对应的是襟翼的三种不同展开程度，Ⅰ～Ⅲ展开面积逐渐变大。

Ⅰ级展开：电控系统首先启动，给电动马达传递展开襟翼的电信号，接收到信号的电动马达开始启动，马达直接带动钢索进行收放，钢索会驱动摇臂推动襟翼进行初步展开，这一阶段各层襟翼展开1/3。

Ⅱ级展开：在Ⅰ级展开的基础上，作动筒继续做功推动摇臂。值得注意的是，第一层的襟翼在正常情况下有一部分是收在机翼主体的下方空腔里面的，第二层则是在第一层里面。当襟翼展开时，机翼主体下方的摇臂连杆推动第一层襟翼进行展开，第一层的展开会促使与之相连的第二层摇臂进行摇动，然后推动第二层襟翼展开。

第二层展开需要用到滑轨和支架滚轮，在展开时摇臂会推动滚轮，滚轮在滑轨内进行滚动，此时各层襟翼展开2/3。

Ⅲ级展开：将各层襟翼全部展开，此时飞机的升力达到最大，一般在飞机起飞和降落时才会进行Ⅲ级展开。

4    B737襟翼展开的仿真模型

在经过前期的大体设计之后，用3D打印机打印出了襟翼的各部分实物，包括每一层的襟翼以及襟翼之间连接所用的连杆和摇臂。对于控制系统的组成，选取了电机、齿轮、摇臂和金属连杆等;控制系统中还设置了转速控制器，利用转速控制器，可以自由控制襟翼的收放速度。模型的成品图如图2所示。

4.1    机械部分

实物的展开模型是基于理论基础设计的。襟翼共两层，是双缝后退式襟翼，第一层襟翼与控制系统的金属连杆连接固定，连杆可以直接带动第一层襟翼进行展开。第二层与第一层之间通过两根连杆相连接，两连杆之间通过紧固件进行固定，从而传递力的作用。第二层与第一层的连杆连接固定，因为第一层襟翼的两侧有滑轨，所以第二层通过摇臂在滑轨之间的伸展动作达到展开的目的。

4.2    控制部分

控制部分主要分为四部分：电机、齿轮系统、摇臂连杆机构、转速控制器。此处选择了12 V的电机，最高转速45 r/min，连杆的行程为2～8 cm。电机启动后，内部转子转动带动齿轮，齿轮与摇臂相连，带动摇臂进行360°的旋转，摇臂再和连杆连接，摇臂转动180°，则连杆完成一个襟翼的展开动作。转速控制器通过输入、输出线直接和电机相连，通过旋转调节旋钮改变电机功率，从而改变连杆的行程速度。

5    结语

本文对B737的襟翼展开做了模型仿真，设计了襟翼各部件，并对联动结构和方式进行了讲解，分别从结构系统和控制系统对展开方式下各部件运动状态进行了观察和记录，最终基于理论分析完成了实物设计。

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收稿日期：2020-06-12

作者简介：杨天贺（1985—），女，吉林梨树人，讲师，研究方向：飞机结构及维修。