机翼壁板连接形式研究

教练机

2017.NO.2

0引言

现代军用飞机大量采用机翼整体壁板，机翼整体壁板可以减少连接件数量，从而降低机翼结构重量。由于采用了数控加工等先进的制造方法，机翼整体壁板具有较高的加工质量和精度，在降低工人劳动强度方面也具有很大的优势。由于机翼蒙皮面积较大，采用一整块壁板会增大加工难度，并且严重影响机翼的损伤容限性能。因此,机翼壁板通常采用几块壁板组合的形式，而壁板与壁板间一般采取搭接或对接两种连接方案。

搭接方案连接区较短，使用的连接件少且重量较轻。但搭接壁板会有下陷，导致结构应力集中影响机翼的疲劳性能。搭接方案中，

高应力区在机翼壁板上，一旦出现裂纹，则维修难度较大，整体壁板的止裂结构较少，同时，裂纹会迅速扩展而影响飞行安全。对接方案则由于采用了带板和较多的连接件，相对于搭接方案结构重量更重。但对接连接可以避免出现下陷，应力集中部位较少，疲劳性能较好。对接方案中高应力区出现在带板上，带板出现裂纹维修时较为简单，

带板上有较多的铆钉孔，出现裂纹后可以及时止裂。即使局部带板断裂，也不会影响到飞机整体的飞行安全。

带板对接方案中一般采用多排铆钉连接，而采用多排铆钉会存在铆钉受载不均匀，两端铆钉载荷

较大。为减小多排铆钉的“峰值效应”[1]

，即减小带板

端部铆钉的载荷，

通常采用改变带板截面面积，调整铆钉排布间距，以及端部使用柔性较好的紧固件等方法。本文针对不同的优化方法建立相应的有限元模型，通过比较分析选择最优方案。

机翼壁板连接形式研究

王震1,张爱茹1,张海周1,王月英2

(1.航空工业洪都,江西南昌330024;2.伊犁师范学院,新疆伊宁835000)

摘要:研究了机翼壁板连接形式，并将对接连接结构与搭接结构进行了对比，

由对比结果可知，对接连接结构在增加较小重量的情况下，壁板应力和钉传载荷较搭接结构都有明显下降，更能满足机翼壁板疲劳寿命要求。

关键词:壁板连接；优化设计；有限元；

疲劳寿命The Study on the Connection Mode of Wing Panel

Wang Zhen 1，Zhang Airu 1，Zhang Haizhou 1，Wang Yueying 2

(1.AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024；

2.Yili Normal University,Yining,Xinjiang,835000)

Abstract:This paper studies the connection mode of the wing panel,and also makes contrast between butt-joint connection structure and lap joint structure.Contrast results show that,in the case of minor weight increment on butt-joint connection structure,both the panel stress and the pin load will be significantly decreased,which can bet 原

ter satisfy the fatigue life requirements for the wing panel.

Key words:Wing panel connection;Optimization design;Finite element;Fatigue life

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渐进成形在整体壁板制造中的应用

Mac hine Building A utomation ，A ug 2010，39（4）：37 38，75 作者简介：胡铭明（1981—），男，江西南昌人，硕士，助理工程师，主要从事机械设计工作。 渐进成形在整体壁板制造中的应用 胡铭明，高霖，韦红余 （南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016） 摘 要：数控渐进成形工艺是一种新兴的金属板料柔性成形技术。加工过程无需或仅需简单 模具，故可在许多领域得到运用。尝试通过将渐进成形工艺运用于某整体壁板类零件的下半部分，了解到通过增加辅助面，从而增强零件的刚度，可以避免材料因随工具摆动造成破裂，完成此类零件的加工。 关键词：渐进成形；整体壁板；成形中图分类号：TG39文献标志码：B 文章编号：1671- 5276（2010）04-0037-02Application of Incremental Forming Process for Overall Wall Manufacturing HU Ming-ming ，GAO Lin ，WEI Hong-yu （College of Mechanical and Electrical Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ） Abstract ：NC Incremental forming of sheet metal is an innovative and flexible forming．The forming process needs non-die or simple die ，so the process is widely applied．This paper tries to use the incremental forming for bottom half of a overall wall product ’s man-ufacturing．During the process the metal is prevented from breaking because product sways with forming tool and the product ’s stiff-ness is enforced by adding aided surface． Key words ：incremental forming ；overall wall ，forming 0引言 随着现代航空工业的发展，要求在初始设计阶段和后 期的制造阶段，采取新的方法和工艺，在保证甚至提高零件强度的前提下，尽量减轻零件的质量，从而实现飞机的整体要求。 渐进成形加工，是近几年新兴的一种柔性化的薄板成形工艺。与传统的冲压成型不同，它不需要专用模具或仅采用简单模具支撑， 就可以通过数控成形设备成形出成形极限较大，形状复杂的板材零件［1－3］ ，是具有发展前景的新工艺。 渐进成形将复杂的零件模型沿高度方向分解成许多 等高层， 每个等高层中零件的轮廓线为一封闭曲线，数控机床控制成形工具沿着封闭曲线在板料上运动实现每层 的加工通过逐层从而完成整个三维零件的外形加工。 1 常用的整体航空壁板成形方法 1．1 整体壁板的优势 大型整体壁板主要用于飞机机翼和机身，以及地板和 壁板等重要部位，与传统的铆接组合式壁板结构相比，大型整体壁板结构件具有如下优点［4－6］ ：1）由于取消了零件之间连接用的螺栓、铆钉等附件，减轻了飞机整体的质量；2）由于不需要铆接等安装工序，大大减少装配工序的周期和 工作量，减轻劳动强度；3）减少开孔等造成的应力集中，可 提高部件的强度和刚度；4）零件表面没有了铆钉等造成的表面不平，提高整体的气动性能，并能提高装配品质。 1．2 整体壁板常用成形方法 1．2．1 喷丸成形技术 喷丸成形技术是利用高速球丸撞击金属板材的表面， 使受撞击的表面及其紧靠的下层金属材料产生塑性变形而延伸（图1），从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法 ［7－8］ 。 图1喷丸成形原理图 1．2．2 蠕变时效成形技术 蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变特性，将成形与 时效同步进行的一种成形方法［4］ （图2）。使坯料产生一定的弹性变形，一起保温一段时间，零件上的部分弹性变形将转变为永久塑性变形并保持下来，从而使零件在完成时效强化的同时获得所需外形 ［5，9］ 。 · 73·

第6章8.1整体壁板

第6章整体壁板（喷丸加工） 一、概述 二、整体壁板的毛坯 三、整体壁板的加工 四、整体壁板的成形 一、概述 何为整体壁板? 是由整块板坯制成的飞机整体结构承力件，整体壁板的结构要素（如长桁、蒙皮加强垫板等）之间无任何连接，一般构成飞机的气动外形。 无加强筋的整体壁板又称整体厚蒙皮。 优点 1. 设计方面： ——等强度设计，强度/重量比高，刚性好 ——疲劳寿命长 ——外形准确，表面光滑 ——简化油箱的密封，空间利用率高 2. 工艺方面 ? 简化了互换性，减轻了装配劳动量提高了装配精度 ? 缩短生产准备周期 ? 提高劳动生产率 问题 ?加工设备增加 ?毛坯的制造周期长，费用高 ——成本增加 ?产生裂纹后扩展较快 ——“破损安全性”差 二、整体壁板的毛坯制造 目前应用的整体壁板主要为铝合金制成。制造整体壁板毛坯的方案很多，其中主要有：1、热模锻制造毛坯

2、挤压毛坯 3、自由锻板坯或用热轧平板做毛坯 4、特种铸造 * 各种整体壁板毛坯的比较 1、热模锻毛坯 ——热模锻毛坯 它的优点是生产率高，锻件有连续的纤维组织，晶粒致密，强度高。 它可以制造复杂的纵横或扇形分布的筋和肋条，可以同时制造出对接接 头。 但模锻需要吨位极大的机床，锻模制造也很困难，周期长劳动量大。 2、挤压毛坯 ——挤压毛坯 它的优点是能得到比模锻更大的壁板，与模锻相比较，这种方法所需的设备功率较小，模具制造费用较低，生产效率高，挤压毛坯中除形状复杂部位， 需表面修整外，不需进一步加工。 毛坯供应仍受挤压设备吨位及校平设备限制，模具寿命低。 3、自由锻毛坯和热轧平板

——自由锻毛坯和热轧平板 它的优点是厚板供应来源广，而且允许设计者较自由地布置筋条和凸台，生产准备周期短，能适应机种迅速改变，制造精度及光洁度较高。 其缺点也是非常明显的，即加工量大，材料利用率很低（一般仅为10%左右），需配备大型高效率切削机床。 4、特种铸造 ——特种铸造 对尺寸不大，有敝开斜角内肋，而当壁板厚度大于2~4 mm时，可以采用挤铸和低压铸造法制造整体壁板毛坯。 无可否认，由于铸造金属机械性能较差，使铸造整体壁板的应用受到限制。 * 毛坯的校平与消除残余内应力 供应给飞机制造厂的整体壁板毛坯在原材料工厂需要进行热处理、时效、校平、消除残余应力及探伤检验等等工序。 其中校平与消除残余应力是影响整体壁板加工效率和质量的重要环节。 消除残余内应力最有效的办法是在厚板淬火后经过1.5~2.5%变形程度的拉伸校正，然后经过自然或人工时效处理再送去加工。 三、整体壁板的加工 常见的加工方法有两种： ——机械加工（NC加工） 机械加工方法通常是先加工而后成 形。（由于先成形后加工较困难）。 ——化学铣切 利用化学铣切无切削力的特点，整体壁板蒙皮可先成形后进行化学铣切。 1．整体壁板的机械加工 加工整体壁板的金属切削机床在早期大多用大型龙门铣床、龙门刨床以及摇臂铣床等改装而成，它们一般均采用真空夹具，它的特点是施压均

某型飞机整体壁板设计

某型飞机整体壁板设计 【摘要】整体壁板是现代先进飞机的重要结构件，从整体壁板的结构特点出发，介绍了整体壁板的结构形式和分类，重点阐述了某型飞机整体壁板蒙皮厚度的计算方法、筋条布置的原则和间距的计算方法，另外还介绍了整体壁板加工方法。 【关键词】整体壁板结构特征；整体壁板设计；整体壁板加工方法 1、引言 随着飞机性能的不断提高，对飞机结构的气动外形和整体性的要求也越来越高，而且随着市场多元化的发展，进一步降低制造成本，使产品更加具有竞争力，是许多飞机制造厂商面临的主要问题。 2、整体壁板结构特性 飞机的壁板通常是用蒙皮和纵向、横向加强零件靠铆接、胶接、焊接、螺接等装配而成。这种装配式壁板的刚度、强度、密封性都较差。后来，为了减轻结构重量，逐渐改用整体壁板代替装配壁板，即壁板的蒙皮、加强凸台、下陷、筋条等架构要素之间没有任何机械连接。 作为飞机上最主要的一类零件——整体壁板，它既是构成飞机气动外形的重要组成部分，同时也是机身、机翼等的主要承力构件。因此先进飞机的整体壁板不仅具有复杂的双曲率外形，同时还具有复杂的内部结构，如整体加强凸台、口框、肋、筋条等。这样的零件结构既可以达到满足外形的要求，同时又可以达到减少零件数量、减轻重量和提高使用寿命的目的。 整体壁板主要用于飞机机身、机翼、地板和油箱等重要部位，与传统的铆接式壁板相比，整体壁板结构件有以下优点： （1）可以减轻结构重量。同一个部件，在保证同样刚度和强度的情况下，由于减少所含零件及紧固件的数量，整体壁板比铆接壁板结构重量轻15%～20%。 （2）可以提高整体油箱密封性。由于没有蒙皮与长桁连接的钉孔（或螺栓孔），大大减少油箱的渗漏几率，而且可以减少密封材料的用量，一般比铆接结构减少密封用胶量80%。 （3）可以提高结构的疲劳寿命。由于紧固件用量少，净截面面积大于铆接壁板，从而提高结构的疲劳寿命，同时还可以承受较高的压缩屈服载荷。 （4）可以缩短装配周期。由于减少了零件和紧固件的数量，从而减少67%

有限元法在机翼整体壁板成形中的应用

文章编号:1004-132Ⅹ(2002)02-0134-03 有限元法在机翼整体壁板成形中的应用 康小明　博士 康　小　明 摘要:喷丸是现代飞机机翼整体壁板成形的首选方法,但喷丸成形参数 的选择在很大程度上依赖于实验数据和操作经验,耗时费资。有限元方法的应用可部分解决这一难题。分析了喷丸成形的变形特点,介绍了H omer 的有限元设计方法、Levers 的比拟法及笔者使用的变形等效模拟法,并对3种方 法各自的特点进行了比较。 关键词:整体壁板;喷丸成形;有限元设计;有限元模拟中图分类号:V261 文献标识码:A 收稿日期:2001—08—15 喷丸成形的机理相当复杂,人们至今尚未完全知晓。喷丸成形参数的选择在很大程度上依靠 实验数据和操作经验,通常采用试喷渐进的方法,耗时费资。在采用C NC 喷丸后,这一问题更急需解决。有限元方法应用于喷丸成形,将有助于问题的解决。有限元方法在喷丸成形中的应用有两条途径,即有限元模拟和有限元设计。 按照喷条方式,喷丸可分为全面喷丸和窄条喷丸。全面喷丸方法可成形具有复杂气动外形的机翼壁板,如在弦向有弯曲而在展向有弯折的机翼壁板外形曲面。窄条喷丸是国内应用广泛的一种成形单曲率壁板和蒙皮的方法。其要领是沿翼面的等百分线对壁板进行宽度特别窄的、条带形的展向喷丸;并且,在每个条带的喷射区内,喷丸参数随壁板的整体状况和喷丸弹着区局部状况的不同需作调整。H omer [1]的有限元设计法和Levers [2]的比拟法以全面喷丸为研究对象,而笔者 使用的变形等效模拟法以窄条喷丸为研究对象。 1　喷丸成形的变形效果 喷丸成形时, 大量的弹丸以高速撞击金属板 的表面,形成无数的压坑,使一定深度的表层金属产生延伸,从而引起受喷表面的面积加大。同时,由于材料为一整体,金属板只有产生弯曲变形才能使各层纤维趋于平衡。在这一成形过程中,金属板发生了弯曲作用,表现为横向的挠度;同时受喷金属板面内尺寸增大,产生延伸作用。图1显示了喷丸引起的这两类变形,平板在喷丸成形后成形为球面,弯曲变形引起的挠度见图中,面内延伸为圆弧A ′B ′与直线段AB 长度之差。 图1　喷丸引起的两类变形 对受喷金属板进行分析,可以发现金属板的 受喷表层和未受喷表层具有残余压应力,而中心层具有残余拉应力。金属板的残余应力σ(z )由三部分组成(见图2)。 σ( z )=σS (z )+σF (z )+σB (z ) (1) 式中,σS (z )为喷丸引起的应力;σF (z )为平衡金属板均匀 延伸的应力;σB (z )为平衡金属板纯弯的应力。 图2　喷丸成形的残余应力分解 在此假设金属板各处受到等强度的喷丸,并 忽略局部区域的塑性变形。将σF (z )和σB (z )表示为合力F 及合力矩M 的适当形式,并对式(1)进行推导,可以得到 ∫ h σS (z )d z =F (2)∫ h σS (z )(h/2-z )d z =M (3) 式中,h 为金属板的厚度。 由式(2)和式(3)可见,喷丸引起的效果可表示为两个力的作用:对应于拉伸的合力F 及对应于纯弯曲的弯矩M 。当喷丸不均匀时,σS 是x 、 y 的? 431?中国机械工程第13卷第2期2002年1月下半月

机翼壁板连接形式研究

教练机 2017.NO.2 0引言 现代军用飞机大量采用机翼整体壁板，机翼整体壁板可以减少连接件数量，从而降低机翼结构重量。由于采用了数控加工等先进的制造方法，机翼整体壁板具有较高的加工质量和精度，在降低工人劳动强度方面也具有很大的优势。由于机翼蒙皮面积较大，采用一整块壁板会增大加工难度，并且严重影响机翼的损伤容限性能。因此,机翼壁板通常采用几块壁板组合的形式，而壁板与壁板间一般采取搭接或对接两种连接方案。 搭接方案连接区较短，使用的连接件少且重量较轻。但搭接壁板会有下陷，导致结构应力集中影响机翼的疲劳性能。搭接方案中， 高应力区在机翼壁板上，一旦出现裂纹，则维修难度较大，整体壁板的止裂结构较少，同时，裂纹会迅速扩展而影响飞行安全。对接方案则由于采用了带板和较多的连接件，相对于搭接方案结构重量更重。但对接连接可以避免出现下陷，应力集中部位较少，疲劳性能较好。对接方案中高应力区出现在带板上，带板出现裂纹维修时较为简单， 带板上有较多的铆钉孔，出现裂纹后可以及时止裂。即使局部带板断裂，也不会影响到飞机整体的飞行安全。 带板对接方案中一般采用多排铆钉连接，而采用多排铆钉会存在铆钉受载不均匀，两端铆钉载荷 较大。为减小多排铆钉的“峰值效应”[1] ，即减小带板 端部铆钉的载荷， 通常采用改变带板截面面积，调整铆钉排布间距，以及端部使用柔性较好的紧固件等方法。本文针对不同的优化方法建立相应的有限元模型，通过比较分析选择最优方案。 机翼壁板连接形式研究 王震1,张爱茹1,张海周1,王月英2 (1.航空工业洪都,江西南昌330024;2.伊犁师范学院,新疆伊宁835000) 摘要:研究了机翼壁板连接形式，并将对接连接结构与搭接结构进行了对比， 由对比结果可知，对接连接结构在增加较小重量的情况下，壁板应力和钉传载荷较搭接结构都有明显下降，更能满足机翼壁板疲劳寿命要求。 关键词:壁板连接；优化设计；有限元； 疲劳寿命The Study on the Connection Mode of Wing Panel Wang Zhen 1，Zhang Airu 1，Zhang Haizhou 1，Wang Yueying 2 (1.AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024； 2.Yili Normal University,Yining,Xinjiang,835000) Abstract:This paper studies the connection mode of the wing panel,and also makes contrast between butt-joint connection structure and lap joint structure.Contrast results show that,in the case of minor weight increment on butt-joint connection structure,both the panel stress and the pin load will be significantly decreased,which can bet 原 ter satisfy the fatigue life requirements for the wing panel. Key words:Wing panel connection;Optimization design;Finite element;Fatigue life 46