分段铸造式飞机雷达罩成型模具的参数化设计论文_李汝佳

分段铸造式飞机雷达罩成型模具的参数化设计论文_李汝佳

航空工业哈飞 黑龙江哈尔滨 150066

摘要:针对采用分段铸造式设计制造的复合材料飞机雷达罩的成型模具,将参数化设计方法运用到其设计中,能够提高设计效率、缩短设计周期。通过分析成型模具的结构特点和建模要求,结合工装设计人员的经验,确定其参数化设计流程。通过分析成型模具各段的具体结构,提取成型模具各段的主要设计参数。

关键词:分段铸造式;复合材料;雷达罩;成型模具

引言

复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。复合材料在飞机上的应用比例越来越高,甚至在某些机型上超过了50%。凭借相对密度小、热稳定性好、比强度高、比刚度高、比模量高的特点,复合材料可显著减轻飞机结构的重量,在飞机上的应用部位也由次承力结构向主承力结构过渡。

一、成型模具的结构分析

飞机雷达罩一般由低损耗复合材料组成的曲面壳体及附件构成,主要对雷达天线起保护作用,能够减少外部环境和人工操作对其影响。复合材料飞机雷达罩构件的制造通常在成型模具中完成,而模具对复合材料构件的成型质量和精度有很大影响,因此对成型模具的设计就尤为重要。根据本公司工装设计人员的反馈,雷达罩成型模具的设计过程操作繁琐、重复设计较多、占用时间长。通常情况下,飞机雷达罩的成型模具大而笨重,为了便于设计制造,根据其结构特点和建模要求,对雷达罩的成型模具进行分段设计。结合工装设计人员的经验,确定成型模具的参数化设计流程。通过分析成型模具各段的具体结构,提取成型模具各段的主要设计参数。通过运用参数化设计方法,将成型模具分段设计流程进行程序封装,当工装设计人员输入具体的设计参数时,可快速生成飞机雷达罩的成型模具,能够突出参数化设计方法效率高、周期短的特点,有效减少工装设计人员的重复劳动。

对雷达罩成型模具的参数化设计建模时,需要考虑以下几点:(1)成型模具型面的外表面(以下简称外型面)是从雷达罩数模上提取而来,在使用前需要进行孔洞的检测、修补;(2)当成型模具某段的外型面无法偏移加厚时,需要工装设计人员对其进行手动处理,使其能够偏移;(3)成型模具底座的外形轮廓包括圆形和矩形两种类型;(4)加强筋周向均分,与成型模具型面近似垂直,且截面为近似等腰梯形;(5)成型模具各段之间通过法兰盘、定位销和螺栓连接,而螺栓孔需自动避开加强筋,并且预留扳手空间。

二、成型模具的参数化设计

针对分段铸造式飞机雷达罩成型模具,工装设计人员依赖所掌握的知识和经验,在设计成型模具时,有很大一部分精力用在了重复性设计上,导致设计效率低。为了提高设计效率、缩短设计周期,使工装设计人员将更多精力用在成型模具后期的仿真校核环节,接下来结合参数化设计技术,实现成型模具的参数化设计,在开始成型模具设计之前,需要工装设计人员从产品数模提取成型模具外型面。通常情况下,从数模上提取的外型面是不能直接使用的,需要检测是否有孔洞,进行修补后才能作为成型模具外型面使用。

(一)顶端阳模段参数化设计

顶端阳模段创建所涉及的主要参数包括成型模具外型面,轴线,上、下分界平面,螺杆的直径和高度。其中上、下分界平面用来分割成型模具外型面,生成顶端阳模段外型面,轴线与螺杆的中心线重合,便于确定草绘轮廓圆的圆心,整个过程由参数化设计程序自动实现。

(二)中间阳模段和底端阳模段参数化设计

中间阳模段和底端阳模段的参数化设计都包括型面,上、下法兰盘,加强筋和螺栓孔的设计。

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1 型面参数化设计

型面的创建所涉及的主要参数包括上、下分界平面和厚度。其中上、下分界平面用来分割成型模具外型面,生成中间阳模段或底端阳模段外型面,当外型面偏移出现问题时,需要工装设计人员对外型面进行手动修复,对局部曲率较大或者不连续的部分进行处理,保证修复后的外型面可以进行偏移,然后将偏移后的曲面与未修复之前的外型面封闭成实体,生成型面。

2上、下法兰盘参数化设计

法兰盘的创建所涉及的主要参数有厚度、宽度、与型面相交处的倒圆角半径,当上法兰盘的内腔是圆柱形时,需要输入半径。在设计底端阳模段时,模具底座与下法兰盘同时创建,当底座是圆形类型时,需要输入半径和高度;当底座是矩形类型时,需要输入长、宽和高。

3 加强筋参数化设计

加强筋的设计要求是按周向均分,与型面近似垂直,截面近似为等腰梯形。加强筋分为两种类型:到上法兰盘下端面和不到上法兰盘下端面。其主要参数有根数、顶宽、底宽、高度、与型面和法兰盘相交处倒圆角半径,当类型为不到上法兰盘下端面时,还需要输入加强筋长度。创建加强筋的关键是加强筋轮廓线的确定,以到上法兰盘下端面的加强筋轮廓线说明其实现方法。

4 螺栓孔参数化设计

螺栓孔的设计要求是自动避开加强筋,并且预留扳手空间。其主要设计参数有孔数、孔径、孔中心到法兰盘内腔的边距。如果需要连接的相邻两段阳模之间加强筋数目成整数倍关系,那么任意相邻两个加强筋之间螺栓孔数相同;如果加强筋数目不成整数倍关系,那么任意相邻两个加强筋之间螺栓孔数不相同,但孔数差不会超过一个螺栓孔。创建螺栓孔的关键是孔如何分布,以中间阳模段下法兰盘和底端阳模段上法兰盘连接螺栓孔分布为例简要说明其实现方法。

(1)参数化设计程序获取中间阳模段加强筋数目 n、底端阳模段加强筋数目 m、螺栓孔数 s,根据实际设计经验,一般 m ≥ n。

(2)当 m 是 n 整数倍时,如果 s 是 m 的整数倍,其商为 t1,则底端阳模段的任意两个相邻加强筋之间有 t1个螺栓孔;如果 s 不是 m 的整数倍,其商为 k1,余数为p1,则底端阳模段的任意两个相邻加强筋之间有(k1+1)或 k1 个螺栓孔,具体的螺栓孔数需要根据局部结构尺寸和扳手空间来确定。

(3)当 m 不是 n 整数倍时,如果 s 是 m 的整数倍,其商为 t2,则底端阳模段的任意两个相邻加强筋之间有t2 个螺栓孔。若底端阳模段的某两个相邻加强筋之间分布着中间阳模段的加强筋,则这 t2 个螺栓孔要避开中间阳模段的加强筋,同时预留扳手空间。如果 s 不是 m的整数倍,其商为 k2,余数为 p2,则底端阳模段的任意两个相邻加强筋之间有(k2+1)或 k2 个螺栓孔,若底端阳模段的某两个相邻加强筋之间分布着中间阳模段的加强筋,则螺栓孔要避开中间阳模段的加强筋,同时预留扳手空间,具体的螺栓孔数需要根据局部结构尺寸和扳手空间来确定。

三、结论

通过对分段铸造式飞机雷达罩成型模具的结构特点和建模要求的分析,结合工装设计人员的经验,将成型模具进行分段设计,提取各段的主要设计参数,实现了成型模具各段的参数化设计。针对加强筋的轮廓线和螺栓孔的分布,简要说明了其实现方法。

参考文献:

[1]宋波,安鲁陵,郭保腾,鲍益东.分段铸造式飞机雷达罩成型模具的参数化设计[J].航空制造技术,2018,61(Z1):93-97.

[2] 孙振起,吴安如.先进复合材料在飞机结构中的应用 [J].材料导报,2015,29(11):61-64

[3] 刘善国.国外飞机先进复合材料技术 [J].航空制造技术,2014,57(19):26-31.

论文作者:李汝佳

论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期

论文发表时间:2018/11/14

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