沈陽城市學院，遼寧 沈陽 110112

中航沈飛民用飛機有限責任公司，遼寧　沈陽　110110

摘要: 金屬蒙皮拉伸成形是飛機制造業(yè)中常用的加工方法之一，傳統(tǒng)的蒙皮拉形工藝是基于“經驗”和“試錯法”，該種方式會出現蒙皮的破裂、粗晶、回彈和滑移線等成形缺陷。將有限元仿真技術應用到蒙皮拉形中，在有限元軟件中實現“模擬拉形”，可有效改善蒙皮拉形的質量，大大減少試拉次數。而且，利用有限元仿真軟件可以顯著提高金屬蒙皮材料的利用率，降低研發(fā)和生產成本，實現蒙皮拉形工藝參數快速優(yōu)化的目的。

金屬蒙皮零件是民用飛機公司各個項目鈑金零件中最重要的產品構成。目前鈑金零件作為飛機的主要構件，而蒙皮零件又是最具鈑金特點、最重要的鈑金零件。可以說，蒙皮零件的制造能力是民用飛機鈑金制造能力的一個標志。零件制造中心是以鈑金制造為主要內容的零件制造單元，企業(yè)一般會在該中心配備很多專業(yè)大型鈑金設備。雙曲度蒙皮拉伸成形設備——蒙拉機就是其中最重要的鈑金設備之一，如圖1所示。

金屬蒙皮是飛機結構氣動外形中最主要的零件之一，其一般定義為包覆飛機整個氣動外形的薄板零件（包括壁板）。在鈑金工藝中，也將加強板等工藝制造方法類似的零件定義為蒙皮類零件。而拉形類蒙皮普遍都是雙曲度蒙皮，分布在機頭、尾段和艙門等位置，尺寸比較小（個別的超過6 m），厚度不大于4 mm，蒙皮內形往往帶有較淺的減重化銑格，蒙皮材料均為2xxx系列鋁合金。

圖  1  雙曲度蒙皮拉伸成形機

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

由于是雙曲度蒙皮，從工藝角度上說，成形相對比較復雜，幾乎都采用拉伸成形，通常的做法是依靠蒙拉機工作臺面上下運動的頂升和兩端夾鉗的拉伸包覆運動使板料貼模，獲得金屬蒙皮的形狀，其拉伸成形的好壞將直接影響航空航天器的整個外形氣動性和機器使用壽命[1]。然而，在以往金屬蒙皮的拉形過程中都是按照分析人員的工作經驗進行設計，這種傳統(tǒng)的拉伸成形過程中往往會出現斷裂、起皺、粗晶、回彈及滑移線等缺陷，如圖2所示。所以，蒙皮零件成形參數和操作熟練程度會對零件質量產生較大的影響。

圖  2  傳統(tǒng)拉伸成形過程中出現的斷裂缺陷

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由于傳統(tǒng)的拉形方式是憑借以往的生產經驗對回彈量進行預估，利用夾鉗和工作臺的機構運動進行拉形，沒有對成形的參數和細節(jié)進行規(guī)定，比如夾鉗口的拉形力和工作臺面（又稱為工作胎面）上頂力的大小及相互配合關系，夾鉗口在蒙皮拉伸成形過程中的擺角變化及拉伸量的控制等，所以，蒙皮的拉伸成形質量主要取決于操作工人的操作經驗和操作水平，不可避免的會出現眾多的不可預知的缺陷[2]。隨著計算機仿真技術的快速發(fā)展，以及有限元技術的日臻成熟，借助有限元法設計多種可行加載軌跡，并對拉伸金屬蒙皮的回彈進行預測，對拉伸成形工藝參數的制定具有一定的指導作用[3]。

另外，飛機結構都是由尾段、中機身、前機身、機頭和機翼等幾個主要部分構成。目前國內生產的軍民用飛機型數量大概在二十萬件左右，一年大概需要將近一百萬件蒙皮零件，其中大多數均為外購，因此，拉形類蒙皮是我國進行研制的重點。通過雙曲度蒙皮零件的研制，達到各個項目蒙皮零件的自制，可為民用飛機公司節(jié)省大量經費，也為公司提高了生產能力甚至零件制造競爭能力。因此發(fā)展、革新蒙皮拉形技術對鞏固提升我國的航空航天制造業(yè)競爭能力具有非常重要的現實意義和經濟意義。

1.   國內外研究現狀

國外先進飛機制造巨頭，比如波音、空客、龐巴迪、塞斯納等公司，他們的拉形蒙皮制造過程都是采用有限元仿真技術設計產品的制造工藝方案，這樣不僅會節(jié)省大量時間，而且由于采用數值模擬，還會節(jié)省材料、工裝、設備等大筆資金的投入[4]。

由于仿真技術較復雜，在國內推廣程度并不高，國內各個主要飛機制造廠家還沒有把工藝仿真技術真正應用到產品的工藝方案制定中，目前依然是采用傳統(tǒng)的 “基于經驗”和“試錯法”的生產方式。

1.1   國外拉形工藝研究

國外對拉形工藝進行研究較早的國家主要有美國、德國和俄羅斯。其中，美國的科學家Chen等[5]在通用汽車的實驗室中，在圓弧形的金屬蒙皮拉伸成形的過程中使用了噴水的形式進行了潤滑，拉伸出來的金屬蒙皮的厚度均勻、形狀規(guī)范。俄羅斯的科學家Oding[6]在對飛機多層金屬蒙皮件拉伸成形的研究中發(fā)現，分層設置金屬蒙皮板材的長度有助于工件更好地貼模，能夠更好的進行蒙皮拉形。另外，Zdzislaw 等[7]對金屬蒙皮拉形過程中的極限應變進行了研究，并且利用計算機對其進行了分析，得出了金屬材料極限應變的函數，這對利用有限元仿真技術模擬蒙皮拉形過程提供了理論支持。

1.2   國內拉形工藝研究

國內對拉形工藝的開展研究要較國外晚一些，并且主要集中在國內幾家大飛機制造廠以及個別高等院校。比如，萬敏等[8]對金屬蒙皮拉伸成形的相關工藝參數進行了針對性的研究，得出了金屬蒙皮產生滑移線的主要影響條件是：夾鉗拉伸成形過程中的運動速度、蒙皮與胎面之間的潤滑效果以及加載軌跡等，并且依據金屬蒙皮的臨界變形程度確定了合理的夾鉗運動速度。

白雪飄等[9]以工廠常用的FET-1200數控蒙拉機為研究對象，對其模擬系統(tǒng)前置處理中的運動反解、數據接口等進行了研究，開發(fā)出了運動反解模塊，使蒙皮拉伸成形過程中CNC（數控設備控制）與CAE（計算機輔助工程）兩大拉形工藝中的基石相得益彰，相輔相成。同時，其團隊還運用模擬系統(tǒng)對金屬蒙皮的拉形過程做了“虛擬成形”，改進了鉗口的運動軌跡。

在國內外金屬蒙皮拉形工藝相關領域研究現狀的基礎上，結合國內民用飛機的發(fā)展成果，本文的提出了解決飛機蒙皮成品率低的困局，凝練了相應的科學問題，具有巨大現實意義和經濟效益。

2.   仿真技術研究方案

2.1   仿真技術介紹

為了滿足新型飛機對其氣動外形等方面的苛刻要求，國內飛機制造廠家從國外購買了諸如FET1200、VTL1000等先進的數控蒙拉機。可要想從根本上改變傳統(tǒng)的飛機蒙皮拉形工藝的方法，充分發(fā)揮先進數控蒙拉機的優(yōu)越性能，亟需將計算機輔助工程 (Computer Aided Engineering，CAE)、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）等數字化技術應用于蒙皮拉形工藝。利用有限元仿真方法優(yōu)化蒙皮拉形路徑，減少拉形實驗工作量，達到降低研究成本，實現蒙皮拉形工藝參數快速優(yōu)化的目的，如圖3所示。

圖  3  利用有限元仿真技術模擬蒙皮拉形

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2.2   仿真技術傳統(tǒng)方案

由大量工程實驗可知，預拉伸或者補拉伸能夠一定程度的抑制金屬蒙皮的回彈，是目前工程中常用的加工工藝方法。所以，傳統(tǒng)的仿真分析認為，通過精確的仿真分析材料幾何尺寸的變化規(guī)律，能夠為蒙皮拉形工藝優(yōu)化和質量控制提供理論基礎和實踐依據[10]。

仿真分析的傳統(tǒng)方案是研究蒙皮拉形幾何建模、單元選擇、材料模型選擇、載荷施加方式等問題，完成蒙皮拉形的有限元模擬，通過對結果分析查找問題，調整蒙皮拉形的加載路徑以及蒙拉機X軸和Y軸輸出力與蒙皮實際的受力，再次進行蒙皮拉形仿真，直到得到滿意的拉形結果，計算得出蒙皮拉伸實驗過程中各拉伸缸工作與設備控制及鉗口運行之間的函數關系，該函數關系即可以作為蒙皮拉形實驗的工藝參數依據。

蒙皮拉形仿真?zhèn)鹘y(tǒng)方案主要研究的問題：（1）蒙皮加載的方式；（2）蒙皮加載位置與蒙皮拉形設備的關系，為蒙皮拉形實驗加載提供依據；（3）蒙皮拉形加載數據到蒙皮拉形實驗控制數據的轉換；（4）蒙皮拉形仿真優(yōu)化方法；（5）零件拉形路徑在拉形機上的控制。

2.3   仿真技術前沿方案

通過對金屬蒙皮拉伸成形的過程研究可以發(fā)現，仿真分析的傳統(tǒng)方案能夠一定程度的抑制金屬蒙皮的回彈，但是由于每批蒙皮材料的環(huán)境狀態(tài)不盡相同，比如溫度、濕度等的影響，使得傳統(tǒng)方案并不能完全根除蒙皮的破裂、粗晶、回彈和滑移線等成形缺陷。目前，國外對金屬蒙皮拉伸成形的研究比較前沿的仿真方案主要有[11]：

（1）建立真實反映材料內部的數學模型。

采用單凸雙曲率高強度的鋁合金蒙皮件作為研究目標，建立等效模型采用實驗得到應力與應變的關系，從而得到材料的本構方程。針對材料的各向異性，通過比較應變和壁厚，對照模擬結果和實驗結果來選取合適的屈服準則。

（2）拉形的有限元建模與分析優(yōu)化。

利用CAD軟件建立拉形模具，拉形的幾何模型，利用ABAQUS作為模擬平臺設置邊界和初始條件，繼而利用ABAQUS的求解器完成計算。通過相關研究可以知道，影響金屬蒙皮回彈量大小的因素主要有所用材料的屈服強度、彈性模量等相關材料屬性，以及板帶厚度、硬化指數、彎曲變形量等形狀的參數。通過對比數值模擬與實驗結果，分析偏差產生的原因并改變參數的取值，重新模擬直至兩者結果吻合為止。

（3）蒙皮拉伸的局部加熱和振動控制的研究。

分別通過輔助裝備在蒙皮拉伸過程中實現提高局部溫度和加載振動載荷，探究拉伸成形過程中蒙皮件的回彈、減薄率、貼膜度的變化規(guī)律，在探究過程中提出并實現精確的溫度和振動控制方法，并通過實驗進行驗證。

（4）拉形工藝數據轉化。

金屬蒙皮拉伸成形數字化工藝設計系統(tǒng)（也就是ASSFCAE）是通過設定拉形工藝參數，然后計算蒙拉機的工作臺和夾鉗口的運動軌跡，輸出蒙拉機可識別的數控代碼。對航空航天中的雙曲率蒙皮進行分析，首先通過數字化工藝設計系統(tǒng)進行拉伸成形過程中的工藝參數的設計，然后利用數值模擬方法仿真整個金屬蒙皮拉形的過程，根據仿真結果繼而優(yōu)化工藝參數，并對優(yōu)化后的工藝參數進行實驗驗證。將ASSFCAE-FET600 系統(tǒng)生成的對應優(yōu)化后拉形參數組合的設備數控代碼輸入到拉形機中，安裝模具后進行拉形。

3.   仿真技術研究進展

國內外針對飛機蒙皮拉伸問題已經進行了大量的科學研究，仿真技術也越來越成熟，為拉形工藝的設計提供了便捷、有效的解決方案。近年來，國內外一些學者已經開始嘗試利用對金屬蒙皮局部加熱和振動控制的輔助加工方法來消除殘余應力，減小回彈量，多項研究和實驗表明該方法是行之有效的[12]。

目前，仿真技術的研究進展主要是圍繞如下關鍵科學問題進行深入和系統(tǒng)研究：（1）研究構建能夠真實反映材料模型的本構方程和選取恰當的屈服準則；（2）研究高強度鋁合金的各向異性在拉伸過程中的影響；（3）提出了利用振動和局部加熱進行輔助加工的新工藝；（4）根據仿真分析結果和相關實驗數據，構建不同材料金屬蒙皮的回彈數據庫，繼而確定影響金屬蒙皮回彈的主要因素，對拉形工藝進行參數優(yōu)化；（5）研究蒙皮件的損傷與斷裂的原理，并對其進行控制和優(yōu)化；（6）將模擬結果精確應用到數控拉形機上的研究。

綜上所述，該項目提出的金屬蒙皮拉形仿真技術的研究方案和技術路線是切實可行的，同時將為飛機蒙皮質量問題以及材料利用率等問題奠定技術基礎，具有重要的理論意義和工程應用價值。

4.   結束語

利用技術軟件進行蒙皮拉伸成形過程和工藝參數的分析和確定已經成為主流的研究方向，這不僅可以合理設計零件成形工藝過程，避免傳統(tǒng)的試錯工藝模式所造成的設備、工裝、材料的浪費和縮短研制周期，而且還可以在產品設計或研制階段通過軟件分析確定零件的工藝性，合理設計零件結構，甚至在產品報價階段可以進行定量分析，從理論上確定是否具備產品生產能力。

本文不僅總結了國內外對于金屬蒙皮拉形的研究現狀，還梳理了仿真技術的傳統(tǒng)方案和前沿方案，尤其在前沿方案中提出了：考慮材料的各項異性，突破現有研究默認材料同性的方法局限，建立材料的本構方程，對于復雜蒙皮件能夠更真實的計算蒙皮的應力應變場；數值模擬和優(yōu)化理論及算法相結合，避免拉形工藝出現的缺陷，并基于有限元軟件進行二次開發(fā)優(yōu)化夾鉗運動軌跡，能夠得到最優(yōu)的夾鉗運動路徑，同時節(jié)省實驗次數縮短研發(fā)周期；對于復雜蒙皮件的加工，在拉形工藝的基礎上，結合局部加熱和振動輔助成形工藝，突破現有研究僅限于拉伸的局限，提出新的方法控制蒙皮件的溫度場，提高蒙皮件的拉伸力學性能，并對蒙皮件施加一定頻率和振幅的振動載荷，消除殘余應力，能夠解決現有蒙皮拉形工藝帶來的加工缺陷。