摘要：通用飞机种类多、数量大、用途广。世界各国愈发重视通用飞机的应用。相比于欧美，我国的通用飞机产业尚处于起步阶段，成本控制作为制约通航产业发展的难题之一，亟待解决，提出一种高效率的设计与制造一体化技术迫在眉睫。本文将介绍一种平板式零件设计和制造一体化技术，从源头设计即开始控制全生产链成本。
关键词：通用飞机；复合材料；低成本；平板式零件
引言
近年来我国通用飞机产业呈现井喷式发展的趋势，市场迅速扩张（截止2018年底，我国已有370家在营通用航空公司；预计至2020年，我国通用机场数目将达到500以上，通用航空起将达到5000架以上），国家支持力度不断加大（中国民航2019年通航发展专项资金预算总额为4.41亿元）。然而机遇与挑战往往是共存的，在市场快速扩张的同时，我国通用飞机设计和制造商也面临一个刻不容缓的难题——如何低成本、高效率地设计和制造复合材料飞机以进一步提高市场竞争力?
虽然复合材料与传统的金属材料相比，在比强度、比模量、耐腐蚀性能和耐疲劳性能等上都具有绝对优势，但是复合材料自身材料成本高、模具成本高，此外还需考虑由于设计和制造过程较为复杂，人工成本难免随之提高。
目前行业内已存在一些复合材料通用飞机低成本制造技术，如自动铺贴设备、OOA预浸料固化、自动下料剪裁技术等。本文将重点分析平板式零件的设计与制造，以实现进一步大幅度降低成本。
1、平板式零件的高效率设计与制造
1.1平板式零件的高效率设计
设计决策将决定>70%的制造成本。所以在初步设计阶段就应该定下低成本制造的目标，并梳理出决定低成本制造工艺的关键要求，之后还需进行必要的研发性试验以辅助验证设计。
平板式零件主要设计步骤如下所述：
a）根据强度要求确定铺层需求。对于非关重件，整体可采用通用2C2或2C1夹芯结构铺层设计；对于关重件，可根据载荷分布计算结果按需设置局部加强（层压板）。铺层设计无需考虑外形因素，仅需设计二维矩形铺层尺寸。
b）根据制造需求和制造能力，简易选择零件平板大板尺寸（二维矩形）并设计各个体零件的摆放方式，如图1所示。
c）夹芯材料同样以二维矩形的形式进行设计；除非需要局部加强，否则夹芯材料同为整块完整的大板形式；若需要局部加强的结构，则在局部加强的区域设计去除夹芯材料。所有设计均为二维尺度。
d）使用软件（如FiberSIM）辅助设计平板零件铺层边界，并将三维铺层信息展开为二维铺层信息，生成自动下料剪裁设备可以识别的文件格式（如CAD格式）。
1.2平板式零件的高效率制造
按本1.1节所述的主要设计步骤完成设计后，即可进行平板式零件的高效率制造。主要制造步骤如下所述：
a）自动下料剪裁设备剪裁预浸料、复合材料干织物（以备湿法铺贴使用）及夹芯材料。
b）预浸料铺贴操作；平板式零件铺贴操作无需使用复杂模具，而仅需简易平板式铺贴模具。首先根据图纸铺层信息铺放全尺寸基本铺层，随后依次按需铺放局部加强层。
c）夹芯材料铺贴操作；根据图纸信息铺放夹芯材料，随后按需埋入硬点以加强。
d）固化操作；此时可多块零件平板大板同时固化。
e）切割操作；可仅使用水切割机或通用CNC数控切割机进行自动零件切割操作。
f）按需人工修饰零件。
1.3平板式零件的低成本胶接
在飞机装配工序中，平板式零件的优势同样突出。对于非关重件，只需在平板零件的胶接边（窄边）涂覆少量胶黏剂（如汽车行业大量使用的甲基丙烯酸酯类胶黏剂）即可将2个零件胶接成一体；对于关重件，胶接工序的第一步同样是只需在平板零件的胶接边（窄边）涂覆少量胶黏剂，之后只需在胶接边（窄边）两侧分别通过湿法铺贴复合材料对胶接强度进行加强。同时胶接工序只需使用简易定位工装夹具。此外其可修配性（零件尺寸公差宽松化）是传统C型或I型零件无法比拟的优势。这将大大降低零件产品的废品率。此工艺已在Grumman Tiger飞机上验证有效。
2、平板式零件的成本优势分析
分析主要考虑材料成本、人工工时成本及模具成本。以某型飞机为例进行分析，平板式零件可节约高达33%的材料成本及130小时/架机的人工工时（显著减少零件的制造步骤）。虽然在胶接工序方面相比传统C型或I型零件需要额外20%的人工工时，但是平板式零件可大幅度减少模具需求、胶接夹具需求及生产车间空间需求。此外在批产运输方面，平板式零件也凸显其低成本的优势。
结束语
我国已经开始大力发展通用航空，毋庸置疑，通用航空将成为我国民用航空互动的重要工具之一。本文介绍的平板式零件设计和制造一体化技术从源头设计即开始控制成本；在制造、胶接工艺环节同样具有突出的低成本优势。经过成本分析，该技术几乎在各生产链环节均可大幅度降低通用飞机生产成本。
参考文献：
[1]李春威，马瑛剑.通用飞机的低成本研究[J].工业技术与实践，2016（10）.
[2]陈静，程文礼，李贤德.通用飞机复合材料结构低成本制造技术[J].新材料产业，2017（12）.
作者简介：
苏昊（1993-），男，工程师，硕士，研究方向为飞机复合材料结构设计、制造
论文作者:苏昊,李仁鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：零件论文; 平板式论文; 飞机论文; 低成本论文; 复合材料论文; 成本论文; 材料论文; 《基层建设》2019年第15期论文;