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复合材料结构设计的一般原则与结构工艺提升策略

   日期:2020-05-09     来源:《复合材料件可制造性技术》    浏览:643    
核心提示:01复合材料结构设计的一般原则复合材料结构设计应遵循以下一般原则。(1)综合考虑性能、工艺、成本、使用经验等多方面因素,合理

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复合材料结构设计的一般原则

复合材料结构设计应遵循以下一般原则。

 

(1)综合考虑性能、工艺、成本、使用经验等多方面因素,合理选材。

 

(2)所采用的复合材料结构件应能体现发挥复合材料的特点和优点。如壁板、梁、肋宜采用复合材料,而翼面主接头一般不宜或慎重考虑采用复合材料。

 

(3)根据设计经验和试验结果,考虑湿热环境因素和目视勉强可检冲击损伤后,确定合适的设计许用应变水平。

 

(4)一般按设计许用值设计结构时,遵循使用载荷设计、设计载荷校核的原则。按其他方法设计时,应保证结构在使用载荷下有足够的强度和刚度,设计载荷下安全裕度应大于零。设计所用弹性模量取设计所对应湿度区间的试验结果平均值。对于有特殊要求的部位,如连接、开口、金属/复合材料混合使用结构部位,应根据结构实际情况,并附以试验来确定设计原则。

 

(5)细节设计的重点是避免或减少层合板结构承受面外载荷、刚度突变、应力集中、大开口、传力不连续等直接影响复合材料强度、刚度、疲劳寿命的关键部位。

 

(6)结构的工艺性、可修理性、可更换性在初步设计阶段就应予以考虑。

 

(7)在初步设计阶段应考虑避免因选材和设计不当而导致过高制造成本和维修更换成本。

 

(8)结构的特殊性能要求应稳妥可靠,如电磁性能、阻燃防毒性能、雷击防护措施等。

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结构工艺性 与设计的关系

 

结构的工艺性是结构的基本属性之一,从根本上讲,结构的工艺性是结构设计所赋予的,结构工艺性的好坏是评价结构设计优劣的重要标准。

 

经验表明,结构总体方案设计和初步设计阶段贯彻工艺性要求所获得的效果,大约相当于设计生产全过程中保证工艺性措施所获得效果的70%,详细设计阶段所获得的效果约占总效果的20% ~ 25% ,设计图样发出后生产部门]进行工艺性改进,其潜力仅占5%~ 10%。所以,在结构设计特别是总体设计和初步设计阶段,对所设计结构的工艺性进行分析研究,认真贯彻工艺性要求,是极其必要的。在设计阶段,应始终考虑的问题是:

 

(1)使用较便宜的材料;

 

(2)简化设计、优化设计,排除难以制造或制造费用昂贵的设计特征,尽量采用更多的整体结构,减少零件和装配,结构的铺叠过程尽量能采用自动化设备;

 

(3)采用简单有效的工装、多功能夹具、通用设备;

 

(4)设计中给出结构有效的检查方法;

 

(5)在质量和工艺之间进行协调,通过分析和试验制订现实有效的质量检查技术要求,允许有缺陷及返修后结构的使用,使产品报废率降到最低。

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提高结构工艺性的设计措施

产品结构的总体设计、初步设计和详细设计(包括铺层设计)对结构工艺性有着决定性的影响。在结构设计的全过程均需考虑结构的工艺性问题。在产品结构的总体设计和初步设计阶段,一般考虑以下几方面的工艺性问题。

 

(1 )选择合理的产品外形

 

产品外形对结构的工艺性影响很大,既要满足使用要求,又要有利于结构工艺性。外形选择尽可能减少工装、下料和装配,简化模具,有利于自动化生产。一般尽量选择平面、圆柱形、旋转体等规则外形。

 

(2)选择合理的分离面

 

好的分离面设计有利于提高产品的装配工艺性。产品的分离面一般分为使用分离面(或设计分离面)和工艺分离面。使用分离面是按使用要求为维护、装拆设备和运输方便而设计的分离面,其必须是可拆卸的。使用分离面不宜过多,否则会造成结构重量的增加。图5-1为A380飞机的使用分离面。

工艺分离面是根据批产量、批量的要求,按照产品各部件能单独或并行制造而布置的分离面。图5-2为A380 飞机的工艺分离面。

一般按下列原则布置工艺分离面:

 

a.便于分段装配,尽可能实现壁板化,以便并行作业和采取机械化、自动化装配技术;

 

b.将需要特殊加工、装配安装周期较长的结构划分为单独的组件;

 

c.选择不同材料结构的交界处(如金属结构和非金属结构之间)作为结构的工艺分离面;

 

d.有时也可选择承力结构和非承力结构之间作为工艺分离面;

 

e.亦可选择简单结构和复杂结构之间作为工艺分离面;

 

f.工艺分离面应尽可能选取在单曲度外形和双曲度外形的转变处或外形急剧变化处。

 

图5-3为A380 飞机部件从工艺分离面装配到使用分离面的过程。

(3)选择合理的连接方法

 

选择合理的连接是提高工艺性的重要途径。复合材料结构零件的连接应根据设计要求和材料的性能来选择铆接、螺接和胶结。如图5-4为波音787复合材料机身蒙皮、 长桁、框和竖梁的铆接与胶结。部件之间的连接在满足结构完整性要求的前提下尽可能做到:

a.无需或尽可能采用简单的夹具,来确定部件的相互位置并满足公差要求;

 

b.无需部件之间的过渡或过渡区便于修正加工;

 

c.有通畅的施工通道;

 

d.互换性好,装卸方便。

 

(4)提高结构的整体性

 

减少连接件、装配件的数量,节省连接、装配工作量,是提高结构工艺性的有效措施。图5-5为A380 飞机复合材料水平尾翼整体壁板。图5-6为波音787全复合材料机身前段、中段和后段,提高了机身结构的整体性之后,大大地减少了连接件、减少了装配工时。

(5)结构的继承性和规格化

 

在系列化产品中,采用已有产品的成熟的部件、组合件、零件图样;在新产品开发中,尽可能使部件、组合件、零件规格化(设计成图样图号完全相同),减少生产准备、工艺试验量,缩短试制周期;尽可能减少非标准件的使用等是提高结构工艺性的重要措施。

 

(6)应用设计补偿和工艺补偿。为了有利于保证设计分离面的互换性和工艺分离面的协调性,在设计分离面处的结构时可考虑应用设计补偿和工艺补偿措施。

 

在结构的详细设计阶段,应从以下几方面考虑工艺性问题。

 

(1)对于外形复杂的结构,在外形变化区应采用光滑过渡,用织物代替无纬布以减少外形变化区内的纤维间劈裂。结构零件的拐角应具有较大的圆角半径,以避免在拐角处出现纤维断裂、富脂、纤维架桥等缺陷。图5-7为机翼 上具有圆角半径弯边的复合材料翼肋。

(2)在铺层设计中应考虑到,由于不同铺层角的铺层之间,在给定方向上存在刚度特性和膨胀特性上的差异,但存在铺层不对称、装配不对称或同一铺层角的单向带集中过多时,会引起翘曲变形甚至分层。

 

(3)在热压罐尺寸和工艺允许的情况下,尽量设计成整体件并采用共固化或二次固化、二次胶接工艺成形,以减少组装工作量。

 

(4)对有表面质量要求的结构表面,应作为贴模面。当该表面不能作贴模面时,结构设计布置应当考虑加匀压板以提高表面质量。

 

(5)对于制件壁厚大于7.5mm的结构,应选用零吸胶的预浸料制造工艺,也可采用多次预吸胶工艺。

 

(6)对具有封闭内腔需要用气囊加压的结构,应在受力较小的部位留出合适的工艺孔。

 

(7)为保证钻孔质量,在孔的钻出一侧,应铺一层织物或玻璃布。

 
 
 
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