宽体客机中后机身蒙皮自动铺丝仿真技术研究

宽体客机中后机身蒙皮 自动 铺丝仿真技术研究

闫利青 1 ， 2 李燕银 2 潘云辉 2 高翔 1 ， 2 任卫安 2 朱春生 3

1 江西先进复合材料研发中心 江西 南昌 330096 2 江西航空工业集团有限责任公司 江西 南昌 330024 3 南昌工程学院 江西 南昌 330099

[摘 要] 本文分析了国产第二代宽体客机中后机身蒙皮的铺层特点，确定其铺丝的相关要求,介绍了在专用软件平台上铺丝仿真的主要过程,最后对铺丝的技术要点给出了相应的结论。

关键词 铺丝仿真；宽体客机；机身蒙皮

1 概述-- 宽体客机及其机身壁板铺丝制造技术的对象

波音与空客是国际民航客机的顶尖企业，特别是在其型宽体客机（如波音747、空客A380）制造技术上处于世界领先地位，宽体客机座位往往超过400个，在国际民航运输上具有良好的经济性^[1]。

国内第二代大飞机研发结合了波音与空客两者优点，机身采用了高比率复合材料和高度自动成型技术，其中后机身壁板采用分块的形式，沿径向分为上壁板、左侧壁板、右侧壁板、下壁板四块，适于分片制造，如图1所示。

图1 国内第二代大飞机中后机身壁板分块示意图

后机身壁板主要是由蒙皮和长桁组成，左侧和右侧蒙皮有窗口布置，蒙皮为双向曲面，也就是说纵向和横向都有曲率。在研制过程中，考虑到后机身壁板尺寸庞大，因此，在研发时取其中典型一部分结构，进行制造工艺研究较为合适。本研究试验件取纵向3米-横向2米，称为3m *2m后机身双曲壁板试验件，其适合于铺丝成型的蒙皮部分的结构如图2左侧所示。

后机身壁板的长桁分片太窄，适于手工铺贴成型，不宜采用自动铺丝工艺，蒙皮面积较大且曲率不小，适于采用自动铺丝，波音和空客公司均是如此。为了降低试验成本，以及提高后机身壁板蒙皮自动铺丝试验的效率，进行铺放过程数字仿真很有必要。

2 宽体客机复合材料中后机身壁板试验件蒙皮铺层特点分析

波音和空客公司广泛采用自动铺丝设备进行机身壁板蒙皮的制造，这样可以稳定地保证该制件的质量。国产第二代大飞机的机身壁板蒙皮，同样也会采用自动铺丝成型技术。本课题的后机身局部样品采用高强度的M21C碳纤维铺丝原料，铺层多达36层，铺层呈现以下特点。

1. 铺层多，各铺层形状复杂 根据图2左图，最大的带圆角的矩形为基本面，中间颜色较深的为铺丝面，周围颜色较浅的为理论铺放基本面，实际铺放范围必须覆盖理论铺放面。由图2左图可以看出铺层形状分为四种，中间厚周边薄。即便形状相同的不同层，尺寸也略有差异，铺层大小顺序无规律，铺层形状及铺放角度如图2右侧四个分图所示。

图2 后机身蒙皮试验件的数模及其各铺层形状、铺放角度

2. 方向变化多端，方向规律性不强 铺层的角度情况如图2右侧四图所示的各铺层对应角度，每一个形状的铺层角度分布为对称分布，T形块由于本身形状不对称，因此没有－45°和45°丝束层，有利于控制制件的形变。

3. 曲率不大不小， 不适合用效率更高的铺带设备。根据波音与空客后机身壁板蒙皮制造的经验，以及铺带设备的简单仿真可以确定，只能采用自动铺丝。

3 后机身壁板蒙皮试验件自动铺丝仿真的主要过程

根据后机身壁板蒙皮铺层设计要求，在CATIT平台上，通过Fibersim软件以及嵌入的Torfiber模块可以进行铺丝过程仿真，并生成铺丝程序代码，主要过程如下。

1. 铺放模具模型导入、选取铺放面；

2. 确定铺放基本面及铺放范围；

3. 设置铺放材料的属性及铺放参数；

4. 形成铺放面及铺放组的要求；

5. 选择第某一层铺放层的曲面范围，生成铺放曲面；

6. 规划生成该层的铺放轨迹数值；

7. 查看铺放轨迹及铺放范围；

8. 铺放轨迹优化（调整使得铺放参数符合要求）；

9. 形成铺放数据表格；

10. 生成铺放视频并查验铺放过程的有效性（范围覆盖性及无干涉性）。

图3 机身壁板蒙皮铺丝仿真主要过程截图

4 后机身壁板蒙皮试验件自动铺丝仿真技术要点总结

宽体客机后机身壁板蒙皮试验件模型并不复杂，但由于各铺层的差异性及铺层设置内容的繁杂，自动铺丝仿真的实现过程工作量较大,通过上述仿真研究，可以得出以下结论:

1. 机身壁板蒙皮自动铺丝过程仿真的重点内容为铺层参数设置，这直接关系到铺放质量及仿真效果；

2. 机身壁板蒙皮自动铺丝过程仿真能查验其铺放过程的有效性，避免铺放异常（干涉和超差）；

3. 机身壁板蒙皮自动铺丝过程仿真生成的铺放代码具有实用、高效的特点。

5 致谢

本课题研究得到了中央引导地方科技发展专项资金的支持，项目名称为：宽体客机大型复合材料结构件制造工艺研发项目，项目编号20192ZDE04012；本课题研究还得到了南昌市科技重大项目资金的支持，序号：19，计划类别：重大科技公关，项目名称：宽体客机双曲度复材壁板先进制造技术的开发。

参考文献

[1]张一琛, 陈烁. 全球宽体客机市场观察及预测[J]. 国际航空, 2017(9):30-33..

[2] 郭海峰. 航空工程应用中自动铺丝轨迹与材料综述[J]. 中国机械, 2019, 000(005):25-27.

4