飞机复合材料装配中协调形变与内应力耦合作用机理和工艺控制研究

Composite parts assembling deformation and stress control technology is one of the key technologies for the aircraft manufacturing. It is difficult to reveal the deformation/stress coupling mechanism in assembling because of the complexity of the composites. To achieve precision assembling of the composite parts, it is important to develop an internal stress based process control method instead of the geometrical control method. The project focuses on the assembly precision control of the composite elevator of the commercial aircraft in China. The internal stresses are coordinated with the deformation of the composite part in order to achieve the designed performance, as well as the geometrical precision. The process control method for the internal stresses is implemented by the digital modeling and optimization of the assembling procedures, such as the positioning, the clamping and the connecting. Main research contents include: (1) Study the fabrication deviation orientated macro mechanical and the mesoscopic simulation modeling for the assembling deformation/stress of composite parts. (2) Study the deformation/stress active control method based on the composite parts assembling fixtures. (3) Design and accomplish the prototype testing system of the composite parts assembling for deformation/stress active control. The proposed deformation/stress coupling mechanism and process control methods provide reference and basis for the precision assembling of the composite parts in the commercial aircraft. Research results are expected to be applied to the composite parts precision assembling practice of the commercial aircraft in China.

复合材料装配协调与应力控制技术是飞机制造的关键技术之一。我国由于缺乏对复材协调形变与内应力耦合作用机理的研究和掌握，导致复材构件装配周期长、成本高、减重效果不理想、缺乏对装配应力的主动控制。本项目以大型客机复材升降舵的装配协调为对象，综合运用理论分析和实验手段，探索复材装配过程中协调形变与内应力耦合作用机理，由几何精度和服役性能共同驱动，通过对定位、夹紧、连接全过程的数字化建模、仿真和优化，建立主动控制协调形变和内应力的装配工艺方法，使装配后的几何精度和服役性能达到设计要求。研究内容包括：（1）面向制造偏差的复材构件宏/细观装配变形和应力仿真建模方法；（2）基于装配型架的主动控制复材协调形变和内应力的工艺方法；（3）复材构件装配协调与内应力主动控制实验台原型系统。本项目研究成果将为我国大型客机复材构件的精准装配、相关工艺规范的制定提供理论基础和依据，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

以飞机复材升降舵的装配协调为对象，由几何精度和服役性能共同驱动，通过对定位、夹紧、连接全过程的数字化建模、仿真和优化，建立主动控制协调形变和内应力的装配工艺方法，使装配后的几何精度和服役性能达到设计要求。.（1）针对复材高刚性造成装配过程多个夹持力之间的耦合作用，提出了基于主成分分析的复材构件夹持力协调方法，根据提取的多个夹持力耦合作用下装配偏差的主要波动模式来协调不同位置的夹持力，实现复材构件装配后的公差要求。.（2）针对各向异性引起的复材构件在不同方向上的偏差，建立了一种基于T-Maps的复材构件装配偏差分析方法，准确表达夹持力和加垫补偿对装配偏差的修正。研究表明：①欧几里德点空间能够表达复材构件不同方向的偏差传递和耦合；②对于具有各向异性的构件进行装配偏差分析时，正确识别基准或装配目标的位置是非常重要的。.（3）建立了复材C梁有限元仿真模型，预测了开孔、变厚度、变截面等区域的应力分布，为确定复材C梁不同特征位置可施加夹持力的阈值提供了模型基础和数据参考。研究表明：①由于铺层递减区域内部的不连续结构，造成复材C梁在变厚度区域的应力集中，将降低结构的承载强度；②复材C梁在圆角变厚度区域即厚段向薄段过渡区域承受拉伸载荷的能力较为薄弱，且在受到拉伸载荷时圆角区域比开孔处先发生损伤。.（4）建立了复材沉头螺栓连接的仿真模型，探明了复材沉头孔的锪窝偏差（锪窝角度、锪窝深度）对接头的连接性能（拉伸强度）的影响规律。研究表明：沉头孔锪窝深度偏差比锪窝角度偏差对接头拉伸强度的影响大。.（5）提出了一种包含改进的厚向抗压强度以及纤维剪切断裂判据的复材构件损伤模型，实现了对复材层合板厚向压缩性能的准确预测。研究表明：复材层合板受到局部厚向压缩时，加载接触面边缘的纤维剪切失效不可忽略，不能简单地将横向抗压强度与厚向抗压强度进行等效，可在模型中添加纤维剪切断裂判据以提高模型预测精度。