CN114212270B - 一种复合材料壁板保形工装及保形方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料壁板保形工装及保形方法，对复合材料壁板进行产品性能和装机姿态分析，得出复合材料壁板在装机姿态下受到自重力影响时的曲率变化程度，得出复合材料壁板在装机姿态下克服自重力影响需要控制的保形点位及保形点的控制力大小和方向，保形工装含有刚性支撑架、支撑梁和支撑吸盘，所述的刚性支撑架是一个围框结构，多个支撑梁活动连接在刚性支撑架上，在每个支撑梁上连接多个支撑吸盘，支撑吸盘在支撑梁的连接位置和连接高度可调，每个支撑吸盘与负压管路连通，由支撑吸盘形成点阵式复合材料壁板保形固定点，点阵式支撑吸盘的吸附点形成的保形面与复合材料壁板装机姿态的保形曲率一致。

Description

一种复合材料壁板保形工装及保形方法
技术领域
本发明涉及飞机复合材料部件装配的装备设计技术领域，具体是一种复合材料壁板保形工装及保形方法。
背景技术
目前国内外各型飞机复合材料使用占比越来越大，并且向着主承力件转变。国外波音787型号整机复合材料占结构重量的50％，空客A350全机复合材料占比已经达到52％，其长约32米，宽约6米的复合材料机翼是目前航空其中最大尺寸的碳纤维复合材料部件。
由于大尺寸复合材料构件成型后易产生回弹变形，在装机姿态下又受成形残余应力、重力、夹持力、制孔力、连接力等多载荷作用，导致复合材料相较金属材料零件制造过程与组件装配过程变形较大，且难以有效消除。现有的保形工装基本是对壁板在水平状态的托举式支撑保形，由支撑点形成的支撑面与壁板的曲率保持一致，现有技术的支撑保形无法满足复合材料壁板的空中姿态保形。现有技术在保形过程中对复合材料壁板仅产生托举力，拉伸力一般由其重力产生，导致复合材料壁板在装机过程中姿态调整后应力发生变化，严重影响保形效果。并且现有复合材料壁板保形工装采用一类壁板一种工装形式，导致现有复材壁板保形工装应用范围有限，保形成本较高。复合材料壁板在装机姿态下的如何保形，并通过保形克服复合材料壁板回弹变形是飞机制造中的一个新课题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本申请提出一种复合材料壁板保形工装及保形方法。
本专利通过开展变形仿真手段预测零件在装配过程中的变形情况，模拟出复合材料壁板装机状态下的内应力变化，确定出复合材料壁板在装机姿态下曲率变化最小时的需要控制的保形点位及控制力大小。并设计了一种可调点阵式吸盘保形工装，能满足不同尺寸、不同曲率壁板保形，并且具有较好准确度和可操作性，减少复合材料装配过程中的变形，提升飞机外形装配精度。
一种复合材料壁板保形工装，已知复合材料壁板的外形曲率和装机姿态，其特征在于，保形工装含有刚性支撑架、支撑梁和支撑吸盘，所述的刚性支撑架是一个围框结构，多个支撑梁活动连接在刚性支撑架上，在每个支撑梁上连接多个支撑吸盘，支撑吸盘在支撑梁的连接位置和连接高度可调，每个支撑吸盘与负压管路连通，由支撑吸盘形成点阵式复合材料壁板保形固定点，点阵式支撑吸盘的吸附点形成的保形面与复合材料壁板装机姿态的保形曲率一致。
所述的刚性支撑架的两侧设有多个连接孔，所述的支撑梁的两端设有与刚性支撑架匹配的连接孔，支撑梁在刚性支撑架上的连接位置通过不同的连接孔可调。
所述的支撑梁上设有沿支撑梁长度方向的滑槽，所述的支撑吸盘连接在滑槽上。
所述的支撑吸盘通过刚性螺纹管和螺母固定在支撑梁的滑槽上，由刚性螺纹管的伸出高度调节支撑吸盘的高度，由刚性螺纹管在滑槽上的固定位置调节支撑吸盘的位置。
本申请还提供一种复合材料壁板的保形方法，其特征在于包含以下内容：1)使用上述的复合材料壁板保形工装；2)对复合材料壁板进行产品性能和装机姿态分析，得出复合材料壁板在装机姿态下受到自重力影响时的曲率变化程度，得出复合材料壁板在装机姿态下克服自重力影响需要控制的保形点位及保形点的控制力大小和方向；3)根据复合材料壁板在装机姿态下需要控制的保形点位及控制力大小和方向，调整保形工装上的每个支撑吸盘的位置和高度，使支撑吸盘的位置和高度与复合材料壁板的保形点位相匹配，4)再通过调节支撑吸盘的负压大小使其满足不同保形点对复合材料壁板的控制力大小和方向。
本申请的有益效果在于：1)通过柔性可重构式支撑吸盘，满足不同尺寸、不同曲率的复合材料壁板保型要求；2)利用支撑吸盘的支撑力和吸附力可实现对复合材料壁板在装机姿态不同保形点的控制；3)利用了有限元仿真软件，对复合材料壁板装机姿态进行了分析，对保形工装的保形效果进行了科学的预测，使点阵式吸盘保形工装的吸盘阵列设计从依据经验的设计模式、基于试错的优化形式，转变为具有较好准确度与操作简便的仿真设计过程；4)同时借助支撑吸盘和负压管路实现了复合材料壁板以装机姿态进行保形，对复合材料壁板可同时施加大小和方向不同的托举力和拉伸力；5)复合材料壁板点阵式吸盘保形工装的设计具有较大的技术优势和适用性，在批量设计复合材料产品保形工装时极大减少研发工作量，并降低可能产生的试错成本。
以下结合实施例附图，对本申请作进一步详细描述。
附图说明
图1为复合材料壁板保形工装结构示意图。
图2为支撑吸盘与支撑梁连接关系水平状态示意图。
图3为支撑吸盘与支撑梁连接关系垂直状态示意图。
图4为复合材料壁板的保形方法示意图。
图中编号说明：1刚性支撑架、2固定耳片、3连接孔、4支撑梁、5滑槽、6支撑吸盘、7刚性螺纹管、8螺母、9负压管路、10紧固件、11复合材料壁板。
具体实施方式
参见附图，本申请的复合材料壁板保形工装刚性支撑架1、支撑梁4和支撑吸盘6，所述的刚性支撑架1是一个围框结构，刚性支撑架的两侧设有多个连接孔3，刚性支撑架的周边还设有固定用的固定耳片2，所述的支撑,4的两端设有与刚性支撑架1匹配的连接孔，支撑梁4的两端通过紧固件10固定在刚性支撑架的连接孔3上，支撑梁4在刚性支撑架1上的连接位置通过不同的连接孔可调。
附图中有四个支撑梁4活动连接在刚性支撑架1上，在每个支撑梁4上可以连接有多个支撑吸盘6。
为了方便连接支撑吸盘6，在支撑梁4上设有沿支撑梁长度方向的滑槽5，所述的支撑吸盘6连接在滑槽5上。实施中，每个支撑吸盘6通过刚性螺纹管7和螺母8固定在支撑梁4的滑槽5上，由刚性螺纹管7的伸出高度调节支撑吸盘6的高度，由刚性螺纹管7在滑槽5上的固定位置调节支撑吸盘6的位置。支撑吸盘6在支撑梁4的连接位置和连接高度可调。
每个支撑吸盘6与负压管路9连通，通过调节负压管路的压力，控制支撑吸盘对复合材料壁板的吸附力。由支撑吸盘6形成对复合材料壁板11的点阵式保形固定点，点阵式支撑吸盘的吸附点形成的保形面与复合材料壁板装机姿态的保形曲率一致。
使用上述的复合材料壁板保形工装对复合材料壁板进行保形的具体方法包含以下内容：对复合材料壁板进行产品性能和装机姿态分析，得出复合材料壁板在装机姿态下受到自重力影响时的曲率变化程度，得出复合材料壁板在装机姿态下克服自重力影响需要控制的保形点位及保形点的控制力大小和方向。
实施中，通过有限元仿真软件赋予复合材料壁板刚度矩阵、应力分布等属性，分析出复合材料壁板在装机状态下受到的成形残余应力、重力、夹持力、制孔力、连接力等多载荷大小，得出复合材料壁板在装机姿态下受到自重力影响时的曲率变化程度，得出复合材料壁板在装机姿态下曲率变化最小时的需要控制的保形点位及控制力大小。
根据复合材料壁板在装机姿态下需要控制的保形点位及控制力大小和方向，调整保形工装上的每个支撑吸盘的位置和高度，使支撑吸盘的位置和高度与复合材料壁板的保形点位相匹配。
实施中，通过调整保形工装支撑梁的固定位置，通过调节刚性螺纹管7的高度和固定点，确定保形工装上的每个支撑吸盘在滑槽内的固定置和固定高度，使支撑吸盘的位置和高度与复合材料壁板的保形点位相匹配。
再通过调节支撑吸盘的负压大小使其满足不同保形点对复合材料壁板的控制力大小和方向。
本申请利用有限元分析软件，对复合材料壁板装机姿态进行仿真，并通过调整仿真模型，改变保形工装的吸盘位置布置、单个吸盘负压等，使保形工装对复合材料飞机壁板的保形作用达到最佳。

Claims (3)

1.一种复合材料壁板保形工装，已知复合材料壁板的外形曲率和装机姿态，其特征在于，保形工装含有刚性支撑架、支撑梁和支撑吸盘，所述的刚性支撑架是一个围框结构，多个支撑梁活动连接在刚性支撑架上，在每个支撑梁上连接多个支撑吸盘，支撑吸盘在支撑梁的连接位置和连接高度可调，每个支撑吸盘与负压管路连通，由支撑吸盘形成点阵式复合材料壁板保形固定点，点阵式支撑吸盘的吸附点形成的保形面与复合材料壁板装机姿态的保形曲率一致，所述的刚性支撑架的两侧设有多个连接孔，所述的支撑梁的两端设有与刚性支撑架匹配的连接孔，支撑梁在刚性支撑架上的连接位置通过不同的连接孔可调，所述的支撑梁上设有沿支撑梁长度方向的滑槽，所述的支撑吸盘连接在滑槽上。
2.如权利要求1所述的复合材料壁板保形工装，其特征在于，所述的支撑吸盘通过刚性螺纹管和螺母固定在支撑梁的滑槽上，由刚性螺纹管的伸出高度调节支撑吸盘的高度，由刚性螺纹管在滑槽上的固定位置调节支撑吸盘的位置。
3.一种复合材料壁板的保形方法，其特征在于包含以下内容：1)使用如权利要求1或2所述的复合材料壁板保形工装；2)对复合材料壁板进行产品性能和装机姿态分析，得出复合材料壁板在装机姿态下受到自重力影响时的曲率变化程度，得出复合材料壁板在装机姿态下克服自重力影响需要控制的保形点位及保形点的控制力大小和方向；3)根据复合材料壁板在装机姿态下需要控制的保形点位及控制力大小和方向，调整保形工装上的每个支撑吸盘的位置和高度，使支撑吸盘的位置和高度与复合材料壁板的保形点位相匹配，4)再通过调节支撑吸盘的负压大小使其满足不同保形点对复合材料壁板的控制力大小和方向。
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