第8章航空器研制过程与制造技术

1、航空航天技术博览航空航天技术博览第八章第八章 航空器研制过程与制造技术航空器研制过程与制造技术第八章第八章 航空器研制过程与制造技术航空器研制过程与制造技术 航空器研制过程航空器研制过程一航空器制造技术特点航空器制造技术特点二一一 航空器研制过程航空器研制过程飞机的试飞、定型 飞机制造过程 飞机设计过程 拟订技术要求 4飞机的试飞、定型飞机的试飞、定型 3飞机制造过程飞机制造过程 2飞机设计过程飞机设计过程 1拟订技术要求 一种新飞机的投入使用，须经过下述四个阶段一种新飞机的投入使用，须经过下述四个阶段航空器研制过程航空器研制过程一一 航空器研制过程航空器研制过程由飞机设计单位和订货单位协商后

2、共同拟订出新飞机的战术技术要求或使用技术要求1.拟订技术拟订技术要求要求技术要求确定了飞机的主要性能指标、主要使用条件和机载设备等设计单位必须保证新飞机能达到这些技术要求，订货单位则根据这些要求来验收新飞机飞机的技术要求是飞机设计的基本依据一一 航空器研制过程航空器研制过程 总体设计2.飞机设计飞机设计过程过程 结构设计 一一 航空器研制过程航空器研制过程总体设计总体设计v确定全机主要参数，即全机重量确定全机主要参数，即全机重量G，发动机推力，发动机推力户和翼载户和翼载GS(S为机翼面积为机翼面积)；v确定飞机的基本外形，如机翼、尾翼平面形状、确定飞机的基本外形，如机翼、尾翼平面形状、大致尺寸

3、和气动布局；大致尺寸和气动布局；v选择发动机；选择发动机；v飞行性能的初步估算。如满足要求，则画出飞机飞行性能的初步估算。如满足要求，则画出飞机的三面图；的三面图；v进行飞机的部位安排；进行飞机的部位安排；v确定结构型式和主要受力构件布置，并给出飞机确定结构型式和主要受力构件布置，并给出飞机各部件的重量控制指标。各部件的重量控制指标。 一一 航空器研制过程航空器研制过程结构设计结构设计v在总体设计基础上，进行飞机各部件结构的初步在总体设计基础上，进行飞机各部件结构的初步设计设计(或称结构打样设计或称结构打样设计)；v对全机结构进行强度计算；对全机结构进行强度计算；v完成零构件的详细设计和细节设

4、计，完成结构的完成零构件的详细设计和细节设计，完成结构的全部零构件图纸和部件、组件安装图。全部零构件图纸和部件、组件安装图。 一一 航空器研制过程航空器研制过程装设备、发动机试验、试飞试制飞机制造工厂根据飞机设计单位提供的设计图纸和技术资料进行试制。完成后装上全部设备、系统和发动机由飞机工厂首批(一般称“0”批，生产24架)试制出来的新飞机投入全机强度、疲劳和损伤容限的验证试验和试飞3.飞机制造过程飞机制造过程 一一 航空器研制过程航空器研制过程 目前，随着计算机技术的迅猛发展，设计单位中大部分设计工作借助计算机辅助设计系统(CAD)来完成，包括分析、计算、构形设计，并可直接用计算机绘图、发图

5、。已发展到CADCAM一体化，采用无图设计，只需在制造时把已储存在计算机里的全部数据传递给计算机辅助制造系统(CAM)，使整个飞机的设计和制造过程达到高度的集成化。 3.飞机制造过程飞机制造过程一一 航空器研制过程航空器研制过程4.飞机的试飞、定型过程飞机的试飞、定型过程 通过试飞全面检验飞机能否确保安全，性能是否满足技术要求。把设计、制造中和试飞中出现的各种问题，通过更改设计或改进制造方法等全部排除。最后将飞机定型投入小批量生产。一一 航空器研制过程航空器研制过程 在新飞机的研制过程中，往往须进行相当数量的在新飞机的研制过程中，往往须进行相当数量的科学研究和试验。科学研究和试验。 为选择满意

6、的外形须做大量的风洞试验；为选择满意的外形须做大量的风洞试验； 对用新材料对用新材料(如复合材料如复合材料)制作的结构性能进行某制作的结构性能进行某些专题研究和试验；些专题研究和试验； 对某些关键的结构件或结构设计方案进行必要的对某些关键的结构件或结构设计方案进行必要的疲劳或损伤容限的设计研制试验，为详细设计提疲劳或损伤容限的设计研制试验，为详细设计提供数据或进行早期验证等。供数据或进行早期验证等。4.飞机的试飞、定型过程飞机的试飞、定型过程二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点 航空器制造涉及多个学科，包括空气动力航空器制造涉及多个学科，包括空气动力学、材料学、航空电子学等；飞机整体结构

7、制学、材料学、航空电子学等；飞机整体结构制造技术有造技术有:高效数控加工、大型壁板的形成技术高效数控加工、大型壁板的形成技术和大型壁板精确加工技术。集成的整体结构、和大型壁板精确加工技术。集成的整体结构、复材构件和数字化技术，构筑了新一代飞机先复材构件和数字化技术，构筑了新一代飞机先进制造技术的主体框架。进制造技术的主体框架。 飞机制造技术飞机制造技术树脂基复合材料构件树脂基复合材料构件技术技术胶接结构制造技术胶接结构制造技术 超塑成形超塑成形/扩散连接扩散连接技术（技术（SPF/DB） 高性能航空发动机技高性能航空发动机技术术 先进机械连接技术先进机械连接技术 先进焊接技术先进焊接技术 数字

8、化的设计制造和数字化的设计制造和管理技术管理技术先进数控加工技术先进数控加工技术精密钣金成形技术精密钣金成形技术无损检测技术无损检测技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点 数字化的设计制造和管理技术数字化的设计制造和管理技术v长期以来，飞机设计制造一直遵循着传统的二维长期以来，飞机设计制造一直遵循着传统的二维设计、模线样板、标准样件方法，这种模拟量传设计、模线样板、标准样件方法，这种模拟量传递路线长，误差大，生产准备周期长，使用保管递路线长，误差大，生产准备周期长，使用保管不方便，更改费时费工，成本高，弊端很大。数不方便，更改费时费工，成本高，

9、弊端很大。数字化设计制造技术则完全改变了上述工作方法，字化设计制造技术则完全改变了上述工作方法，它借助于计算机网络技术，采用三维数字化定义，它借助于计算机网络技术，采用三维数字化定义，把飞机的结构和零件全部用三维实体描述出来，把飞机的结构和零件全部用三维实体描述出来，并且把各种技术要求、设计说明、材料公差等非并且把各种技术要求、设计说明、材料公差等非几何信息以及各结构之间的相对位置表示清楚。几何信息以及各结构之间的相对位置表示清楚。在此基础上进行虚拟装配，检查零部件之间是否在此基础上进行虚拟装配，检查零部件之间是否发生干涉以及它们之间的间隙，排除某些设计的发生干涉以及它们之间的间隙，排除某些设

10、计的不合理性，最终形成数字样机。不合理性，最终形成数字样机。二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v数字样机作为制造依据，基本上实现了精确设计，数字样机作为制造依据，基本上实现了精确设计，极大限度减少了工程更改，节省了大量工装模具极大限度减少了工程更改，节省了大量工装模具和生产准备时间。飞机是通过数字化模型来表达和生产准备时间。飞机是通过数字化模型来表达的，各阶段可共享模型数据，因此在产品设计同的，各阶段可共享模型数据，因此在产品设计同时，可进行时，可进行CAE分析计算、工装设计、工艺设计、分析计算、工装设计、工艺设计、可制造性分析，并进行数字化传递，为并行工程可制造性分析，并进行数字化传

11、递，为并行工程创造了条件。数字化设计制造技术完全改变了原创造了条件。数字化设计制造技术完全改变了原来的设计制造方法，包括标准、规范和技术体系，来的设计制造方法，包括标准、规范和技术体系，所以它是体系性和全局性的技术，使传统的飞机所以它是体系性和全局性的技术，使传统的飞机设计制造技术发生了革命性的变化。设计制造技术发生了革命性的变化。 数字化的设计制造和管理技术数字化的设计制造和管理技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v 西方工业发达国家飞机制造业应用数控技术始于西方工业发达国家飞机制造业应用数控技术始于60年代。年代。近近50年的数控技术发展中，发达国家飞机制造业中数控年的数控技术发

12、展中，发达国家飞机制造业中数控技术发展现状和应用水平主要体现在以下几个方面：基技术发展现状和应用水平主要体现在以下几个方面：基本实现机加数控化、广泛采用本实现机加数控化、广泛采用CAD/CAPP/CAM系统系统和和DNC技术，达到数控加工高效率，建立了柔性生产线技术，达到数控加工高效率，建立了柔性生产线和发展了高速切削加工技术。发达国家飞机制造公司数和发展了高速切削加工技术。发达国家飞机制造公司数控技术应用水平高。表现在：不仅数控设备利用率高控技术应用水平高。表现在：不仅数控设备利用率高（一般达（一般达80），主轴利用率高（），主轴利用率高（95），且加工效率），且加工效率极高，加工周期短，劳

13、动生产率是我国的极高，加工周期短，劳动生产率是我国的2040倍。大倍。大型机翼整体加工件加工效率约型机翼整体加工件加工效率约50kg/h。先进数控加工技术先进数控加工技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v 焊接技术发展日新月异，焊接新技术不断拥现，在现代焊接技术发展日新月异，焊接新技术不断拥现，在现代飞机制造中焊接技术的应用越来越多，例如以电子束焊飞机制造中焊接技术的应用越来越多，例如以电子束焊接为代表的高能束流焊接技术工程应用日趋成熟，以其接为代表的高能束流焊接技术工程应用日趋成熟，以其优质的接头性能、较小的焊接变形等特点而逐渐成为飞优质的接头性能、较小的焊接变形等特点而逐渐成为飞

14、机某些重要构件焊接的主要方法。又如近年发展起来的机某些重要构件焊接的主要方法。又如近年发展起来的搅拌摩擦焊技术，以其低于熔点塑性的连接特点，接头搅拌摩擦焊技术，以其低于熔点塑性的连接特点，接头力学性能接近母材，能实现一般焊接方法无法焊接的高力学性能接近母材，能实现一般焊接方法无法焊接的高强铝合金焊接，将会给飞机铝合金结构件（如壁板、蒙强铝合金焊接，将会给飞机铝合金结构件（如壁板、蒙皮、梁、桁等）的加工带来革命性的变化。俄罗斯和西皮、梁、桁等）的加工带来革命性的变化。俄罗斯和西方发达国家焊接技术发展迅速，在许多飞机型号上得到方发达国家焊接技术发展迅速，在许多飞机型号上得到了较普遍的应用，焊接技术

15、已成为先进飞机研制不可缺了较普遍的应用，焊接技术已成为先进飞机研制不可缺少的支撑技术。少的支撑技术。 先进焊接技术先进焊接技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v发达国家的飞机连接装配已由单台数控自动钻铆发达国家的飞机连接装配已由单台数控自动钻铆机的配置向由多台数控自动钻铆机、托架系统配机的配置向由多台数控自动钻铆机、托架系统配置或由自动钻铆设备和带视觉系统的机器人、大置或由自动钻铆设备和带视觉系统的机器人、大型龙门机器人、专用柔性工艺装备及坐标测量机型龙门机器人、专用柔性工艺装备及坐标测量机等多种设备、不同配置组成的柔性自动装配系统等多种设备、不同配置组成的柔性自动装配系统发展。发展

16、。 先进机械连接技术先进机械连接技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v 树脂基复合材料具有高的比强度、比模量、抗疲劳、耐树脂基复合材料具有高的比强度、比模量、抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好以及可设计性强等特点，现已成为腐蚀、成形工艺性好以及可设计性强等特点，现已成为飞机结构中与铝合金、钛合金和钢并驾齐驱的四大结构飞机结构中与铝合金、钛合金和钢并驾齐驱的四大结构材料之一。国外干线客机用量约材料之一。国外干线客机用量约15，其应用水平成为，其应用水平成为飞机先进性的一个重要标志。飞机先进性的一个重要标志。v 为满足飞机上扩大复合材料应用的需求，飞机制造商在为满足飞机上扩大复合材料应用的需求

17、，飞机制造商在不断地完善复合材料层压板真空袋热压罐制造技术，不断地完善复合材料层压板真空袋热压罐制造技术，并不断地开发高性能低成本的复合材料制造技术，如：并不断地开发高性能低成本的复合材料制造技术，如：纤维缝合技术、树脂转移模塑成形技术（纤维缝合技术、树脂转移模塑成形技术（RTM）、树脂）、树脂膜渗透成形技术（膜渗透成形技术（RFI）、真空辅助树脂渗透成形技术）、真空辅助树脂渗透成形技术（VARI）、纤维铺放技术、电子束固化技术及膜片成形）、纤维铺放技术、电子束固化技术及膜片成形技术等。技术等。 树脂基复合材料构件技术树脂基复合材料构件技术 二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v 复合材

18、料构件成形技术是制造大飞机的关键。复合材料构件成形技术是制造大飞机的关键。复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料铺设复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料铺设在基体中构成的新型材料，具有高比强度、高比在基体中构成的新型材料，具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性、隐身性好、抗腐蚀性等模量、良好的抗疲劳性、隐身性好、抗腐蚀性等一系列优点。在飞机上采用复合材料意味着可以一系列优点。在飞机上采用复合材料意味着可以明显减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能。欧明显减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能。欧洲空中客车公司的超大型客机洲空中客车公司的超大型客机A380，碳纤维复，碳纤维复合材料的用量占结构总重的合

19、材料的用量占结构总重的15%。复合材料在。复合材料在美国美国B787飞机上的用量达飞机上的用量达50%，机身和机翼，机身和机翼部位都采用碳层合板代替铝合金，机体蒙皮结构部位都采用碳层合板代替铝合金，机体蒙皮结构几乎全是复合材料。几乎全是复合材料。 树脂基复合材料构件技术树脂基复合材料构件技术 二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v胶接技术可用于连接不同材料、不同厚度、二层胶接技术可用于连接不同材料、不同厚度、二层或多层结构。胶接结构重量轻，密封性能好，抗或多层结构。胶接结构重量轻，密封性能好，抗声振和颤振的性能突出。胶层能阻止裂纹的扩展，声振和颤振的性能突出。胶层能阻止裂纹的扩展，具有优

20、异的疲劳性能，此外胶接结构制造成本和具有优异的疲劳性能，此外胶接结构制造成本和维修成本低。胶接、蜂窝胶接结构及金属层板结维修成本低。胶接、蜂窝胶接结构及金属层板结构在大型飞机上的应用前途宽广。构在大型飞机上的应用前途宽广。 胶接结构制造技术胶接结构制造技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点胶接结构胶接结构制造技术制造技术全金属胶接结构全金属胶接结构制造技术制造技术蜂窝夹层胶接蜂窝夹层胶接结构技术结构技术金属复合层板金属复合层板胶接技术胶接技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v 先进飞机钣金壁板的明显特点是蒙皮厚、筋条高、结构先进飞机钣金壁板的明显特点是蒙皮厚、筋条高、结构网格

21、化、整体集成度大、结构刚度大和难以成形。第三网格化、整体集成度大、结构刚度大和难以成形。第三代飞机和大型飞机气动外形要求严、寿命要求长，钣金代飞机和大型飞机气动外形要求严、寿命要求长，钣金件不许敲击成形，大都采用精密成形技术。件不许敲击成形，大都采用精密成形技术。v 在浅筋条小曲率壁板的研制生产中，采用先进的喷丸成在浅筋条小曲率壁板的研制生产中，采用先进的喷丸成形技术。波音的数控喷丸系统，不仅可控制成形参数，形技术。波音的数控喷丸系统，不仅可控制成形参数，而且可预测和控制喷丸强化与抛光工序对壁板外形的影而且可预测和控制喷丸强化与抛光工序对壁板外形的影响，并研发了叶轮式数控抛丸设备。响，并研发了

22、叶轮式数控抛丸设备。v 在高筋网格式整体壁板研制生产中，开发压弯与喷丸复在高筋网格式整体壁板研制生产中，开发压弯与喷丸复合成形技术，发展了带自适应系统的数控压弯机。合成形技术，发展了带自适应系统的数控压弯机。v 在成形设备方面，除扩大规格外，弯管、旋压、滚弯、在成形设备方面，除扩大规格外，弯管、旋压、滚弯、拉形、橡皮囊液压成形、喷丸及压弯设备等均已普遍实拉形、橡皮囊液压成形、喷丸及压弯设备等均已普遍实现计算机控制，并实现了位移、载荷控制的精密化。现计算机控制，并实现了位移、载荷控制的精密化。精密钣金成形技术精密钣金成形技术二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v超塑成形的研究始于超塑成形的

23、研究始于60年代，当时年代，当时IBM用用Zn22Al合金材料以两种方式（钣金成形和体积合金材料以两种方式（钣金成形和体积成形）来成形计算机部件，并在成形）来成形计算机部件，并在1965年年4月申月申请了有关超塑成形的专利。请了有关超塑成形的专利。vSPF，SPF/DB构件研制中的结构形式从单层构件研制中的结构形式从单层SPF构件到构件到SPF/DB双层板、三层板、四层板双层板、三层板、四层板等，层数越来越多，构件尺寸越来越大，形状越等，层数越来越多，构件尺寸越来越大，形状越来越复杂。来越复杂。超塑成形超塑成形/扩散连接技术（扩散连接技术（SPF/DB） 二二 航空器制造技术特点航空器制造技术

24、特点v无损检测为产品提供内部质量信息，既可作为产无损检测为产品提供内部质量信息，既可作为产品评价的依据，也为工艺分析提供参考信息。西品评价的依据，也为工艺分析提供参考信息。西方国家非常重视无损检测技术研究，并开发了许方国家非常重视无损检测技术研究，并开发了许多先进的无损检测设备。多先进的无损检测设备。 无损检测技术无损检测技术无损检测技术无损检测技术 二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v高性能航空发动机制造技术呈现以下发展趋势：高性能航空发动机制造技术呈现以下发展趋势：（1）轻量化、整体化、新型冷却结构制造技术）轻量化、整体化、新型冷却结构制造

25、技术向低成本、高效率方向发展；向低成本、高效率方向发展；（2）新材料构件制造技术出现较大突破；）新材料构件制造技术出现较大突破；（3）新工艺技术成为现代航空发动机发展的重）新工艺技术成为现代航空发动机发展的重大关键制造技术，并得到广泛应用；大关键制造技术，并得到广泛应用；（4）在传统制造技术基础上发展起来的先进制）在传统制造技术基础上发展起来的先进制造技术已成为支撑现代制造业的骨架和核心，以造技术已成为支撑现代制造业的骨架和核心，以信息化带动传统制造业，企业信息化工程得到长信息化带动传统制造业，企业信息化工程得到长足发展。足发展。高性能航空发动机技术高性能航空发动机技术 二二 航空器制造技术特

26、点航空器制造技术特点v飞机装配是整个飞机制造过程的龙头，飞机装配飞机装配是整个飞机制造过程的龙头，飞机装配技术是中国飞机制造过程中最薄弱的环节，这项技术是中国飞机制造过程中最薄弱的环节，这项复杂的系统工程，涉及飞机设计、工艺计划、零复杂的系统工程，涉及飞机设计、工艺计划、零件生产、部件装配和全机对接总装的全部过程，件生产、部件装配和全机对接总装的全部过程，有有4个关键技术个关键技术:简易型架装配技术、自动化铆接简易型架装配技术、自动化铆接技术、先进定位装配技术和装配过程的数字化仿技术、先进定位装配技术和装配过程的数字化仿真技术。真技术。 二二 航空器制造技术特点航空器制造技术特点v数字化网络协同研制环境，是大飞机制造的发展数字化网络协同研制环境，是大飞机制造的发展平台，应用数字化技术，可以使飞机研制总装的平台，应用数字化技术，可以使飞机研制总装的周期大大缩短。数字化飞机制造过程的实质是一周期大