飞机复合材料构件工装的数字化设计

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1、飞机复合材料构件工装的数字化设计DigitalDesignofAssemblyJigforAircraftCompositesStructure南京航空航天大学机电学院安鲁陵哈尔滨飞机工业集团公司李薇上海飞机制造有限公司孙小峰李汝鹏安鲁陵教授。博士生导师。主要研究方向为数字化制造、飞机工装设计。承担和完成国家重大科技攻关专题、863、国防预研、航空科学基金、企业合作项目等。在飞机上采用高比强度、高比刚度的材料意味着可以明显地减轻飞机的结构重量，大幅度提高飞机结构效率，因此，复合材料已成为新一代飞机机体结构的主要材料之一。74航宅制造技术·2010年第6期基于模块化、参数化方法，将数

2、字化技术用于飞机复合材料制造工装的设计中，可有效简化设计过程，显著提高设计效率。本文介绍了成型模具设计向导和装配工装设计软件设计流程，基于CATIACAA实现了相应功能，给出了设计实例，为飞机复合材料构件制造工装设计提供了一条有效的途径。在航空工业中，各种先进的飞机都是与先进的复合材料技术紧密联系在一起的，而复合材料构件的制造离不开工艺装备(工装)，其产品的质量是靠T装来保证的。飞机复合材料构件的T装包括成型(过渡)模具、胶(铆)接夹具、装配型架、数控切边(钻孑L)等。采用参数化和模块化设计方法，可显著提高丁装研制效率、缩短生产准备周期，满足我国新机研制的需求。本文以提高飞机复合材

3、料工装设计效率、保证设计质量为目标，提出工装数字化设计的总体思路(见图1)。基于网络和PDM环境及飞机设计制造主流软件CATIA，开发复合材料工装设计知识库、工装标准件库、参数化组件库，开发成型工装参数化设计向导和装配工装设计工具集，构成了飞机复合材料工装数字化设计系统。复合材料构件成型工装数字化设计典型的复合材料构件成型工装形式如图2所示，它包括模具体、外支撑板、内支撑板、外底板、内底板、叉车口、环形方钢和加强方钢等⋯。此类工装的结构形式相对固定，由基本的特征组成。比如内支撑板结构包含了散热孔、卡槽等固定的特征，其数目与内支撑板尺寸和位置相关联。同时，这些零件之间也存在位置复合材

4、科构件一r装数字化定义，‘__‘’-__·______·-_-·_-__·_o__o_／f：装没汁j．：，}{j系统／CATIA豳EI模块化技术I参j{j[化技术l-产品数模一计算机网格PDM；准件剧I组件库八突例库儿知识库图1飞机复合材料工装数字化设计总体思路图2复合材料构件成型工装典型结构和尺寸上的约束关系，如模具体的下表面与各支撑板实体贴合，支撑板的底面与底板的上表面存在面约束，底板的下表面与底架不仅存在面约束，而且还存在轮廓约束关系。参数化设计是指设计对象模型的尺寸用变量及其关系表示，而不需要确定具体数值；一般是指零部件的形状比较固定，用一组参数约束该几何图形的结构尺寸和零

5、部件的特征，参数与设计对象的控制尺寸和特征有显式对应关系。当赋予不同的参数序列值时，就可以驱动原设计对象到新的目标几何形状和特征。参数化设计就是通过尺寸驱动和特征驱动的形式，以独立的几何约束和一定的函数公式关系来进行产品的设计。参数化设计将设计中某些尺寸，如定形、定位或装配尺寸定义为变量，修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并驱动其他相关的尺寸参数。参数化设计提高了设计的柔性，其重要性日益突出。在复合材料构件成型工装数字化设计中，采用参数化设计技术是较为合理的。1模具体的设计复合材料构件成型模具的模具体可以分为2种类型：一是通过在过渡模具直接复制复合材料的模具体，二是通过数控加工

6、得到的金属材料的模具体，它们的内部结构是不相同的。限于篇幅，本文主要研究通过过渡模生成模具体的方法，其设计的具体流程如图3所示。2支架的设计支架位于模具体与底架之间，一般由金属板材组成，用于支撑和固定位于其上的模具体。支架的结构(见图4)包括内支撑板、外支撑板、内底板和外底板4种结构，特征为散热孔和卡槽，散热孔有4种形状：圆形、长条形、矩形和矩形倒角。由图4可见各零件之间具有约束关系，如支撑板与模具体的下表面贴合，内支撑板之间的位置关系为垂直或平行，底板的上表面与对应支撑板的下表面贴合，内外支撑板上的散热孑L尽量在同一直线上，以保证成型过程中气流通畅。支架结构中具有较多的尺寸参数和

7、形状特征参数，且大多是相互关联的，如何确定驱动支架总体结构的主参数，并确定与各从参数对应的函数关系式，是参数提取的关键所在。通过研究，确定支架的主参数为工艺参数、结构参数和散热孔结构参数，从参数为支撑板长度、底板长度和工程常量值。支架的参数化设计流程如图5所示。图3复合材料构件模具体设计流程2010年第6期·航窄制造技术75撑板撑板图4支架结构3底架的设计底架的结构包括叉车口、环形方钢和加强方钢3部分(见图6)，3种零件都由标准型材制成，叉车口、环形方钢、加强方钢彼此