飞机复合材料与金属结构件装配协调中偏差控制理论与方法研究

Composite material in the new aircraft structure brings in the new challenge to assembly deviation control strategy and tolerance design for composite-metal parts assembly. Composite material properties make the traditional metallic assembly theory is no longer applicable. This project will explore the theory of composite-metal parts assembly deviation control and prediction, tolerance design, joint deviation propagation and other basic laws and mechanism. It will provide theoretical foundation and reference for composite-metal parts assembly. Main research contents include: (1) Study the comprehensive description method for the composite material component deviation induced by shape error and material difference; (2) Study the deviation propagation law and deformation mechanism of bolt joint for composite and metal parts, construct the composite-metal assembly deviation analysis model; (3) Study composite-metal assembly deviation control strategy and tolerance design algorithm; (4) Study the mapping relationship between geometric distortion and assembly stress in order to monitor composite-metal assembly process; (5) Conduct the experiments and performance testing of typical composite-metal assembly structure, accumulate the basic experimental data. The proposed deviation control theory and methods for composite-metal assembly will provide reference and basis for practical production. Research results are expected to be applied to the composite-metal parts assembly practice of commercial aircraft.

复材在新机结构上应用比例的提高带来了复材与金属的装配协调问题，复材本身特性使飞机金属构件装配协调方法不再适用。本项目探索复材和金属构件装配偏差分析与预测、容差分配、接头偏差传递等基本规律和机理，为复材和金属构件的装配协调、工艺规范提供理论基础和参考。研究内容：(1)研究面向形状误差、材质差异的复材构件偏差的综合描述方法；(2)研究复材、金属构件间的螺栓连接接头对偏差的传递规律与变形机理，建立复材和金属装配结构的偏差分析模型；(3)研究复材和金属装配偏差控制策略与容差分配算法；(4)研究协调形变与装配应力之间的映射关系，为监控复材和金属装配连接可靠性提供参考；(5)进行典型复材和金属装配结构试片的试验设计与性能测试，积累基础数据。本项目提出的复材和金属装配协调中偏差控制理论与方法将为工程实际中复材、金属构件的装配协调提供参考和依据。研究成果将有望应用于大型客机复材和金属构件的装配实际。

树脂基复合材料（以下简称复材）自20世纪70年代就以比重小、强度高、疲劳性能好等优点在飞机中得到应用。大型客机大量采用先进复合材料结构已经成为航空领域发展的重要态势。由于复合材料树脂基体的固化收缩、树脂/纤维/模具热膨胀系数不同、各向异性等多因素影响，导致复材构件在制造完成后尺寸精度比金属低。我国积累了一定的复合材料设计和制造经验，但是与国外先进技术和水平相比依然存在差距。随着复材在新机结构上应用比例的大幅度提高，面临更多的复材结构与金属结构的装配问题，因此复材和金属构件装配协调方面的问题将更加突出，复材和金属构件装配技术已成为我国新机研制的关键技术之一。.本项目以大型客机复合材料外翼模拟盒段、复材升降舵等中复合材料C梁和金属构件装配协调作为研究对象，针对装配偏差建模与预测、装配应力与协调形变、装配偏差对结构性能（静强度、疲劳性能等）的影响规律等展开研究，研究了复材和金属构件偏差分析与预测、装配应力与协调形变、装配偏差对结构性能（静强度、疲劳性能等）的影响等基本规律和机理，建立了复材和金属构件偏差分析与预测模型、获得了装配偏差对结构性能（静强度、疲劳性能等）的影响规律，为复材和金属构件的装配协调、相关工艺规范的制定提供一定的理论基础和参考。主要研究内容包括：（1）复材C梁制造的几何偏差分布规律；（2）复材C梁的有限元建模与验证；（3）典型复材C梁结构装配偏差预测与分析；（4）制造偏差对复材C梁结构静强度的影响；（5）制造偏差对装配后复材C梁疲劳寿命的影响；（6）复材C梁夹持方案的设计与分析。.经过四年的研究已经完成项目研究目标，共计发表标注本项目资助的SCI/EI期刊论文11篇、国际会议论文5篇、中文核心期刊论文3篇，申请国家发明专利8项（授权5项）。