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專題報告

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航空復合材料維修數字化技術(上篇)

1 航空復合材料維修數字化技術的含義

數字化技術是以數字電子計算機硬軟件、周邊設備、協議和網絡為基礎的信息離散化表述、定量、感知、傳遞、存儲、處理、控制、聯網的集成技術。其用于制造業可包括數字化制造技術與數字化產品兩部分。數字化制造技術是將數字化技術用于支持部件全生命周期航空復合材料維修數字化技術的展望。

1.1 航空復合材料維修數字化技術在國際維修領域的應用

國外一些知名的飛機維修企業,在基于對產品數模、裝配技術保密以及適航要求的前提下使用維修手冊,而在研究發展方面實施全數字化設計維修技術、運用數字化技術對修理方案的結構性能進行力學分析、對維修過程產品航材的準確定位以及航材訂購的管控,以保證修理的可靠性和維修過程管控性,而對于國內維修企業,這些數字化技術被牢牢控制在 OEM 手中。

2 國內現狀

目前國內復合材料維修的主要難點在于維修方案的設計,現階段復合材料修理標準方法僅止步于次要表面的修復。大多航空公司只能利用 EASA DOA(歐洲航空安全局設計機構批準書)給出的方案進行施工。大型維修企業根據多年的維修經驗以及 OEM 維修手冊進行維修工作 , 但超過手冊限度的方案仍受到 OEM 的制約 ,OEM 嚴格控制著飛機部件的三維電子數模。相關維修手冊雖然規定了維修標準和工作細則,但不具有完備的數字化信息庫平臺,無法獲得復合材料部件材料信息、鋪層信息、裝配信息,我國的復合材料部件維修無法實現突破式的飛躍。

2.1 發展思路
(1) 利用維修工作的便利條件,采用逆向工程制作相關維修部件的三維電子數模。通過多個批次的部件進行試驗、測繪和分析,提取出逆向建模的關鍵條件。其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結構、材質、精度等多方面的逆向,建立高還原度的三維電子數模,并對復合材料部件的材料信息、外形輪廓、連接件等信息進行詳細的標注。
(2)在已建立完備三維電子數模的基礎上,將 SRM、CMM 維修手冊的相關標準、施工程序按照部件劃分至相應的三維電子數模 NOTE 文件中作為參考數據,形成直觀的技術文件,并配備若干移動客戶端,便于工程師和工作者維修現場的參考使用,從而減少人為因素的潛在風險。
(3)由于建立三維電子數模只能作為參考使用數據,所以在與維修手冊中的信息進行對接時一定要保證其數據的一致性,并及時監控手冊的改版信息,使三維電子數模與手冊的保持一致。
(4)采用計算機輔助工藝過程設計(CAPP)結合三維電子數模,形成規范的維修工卡體系,同時對維修過程復雜繁多的維修航材進行有效管控。省去了大量的查找手冊尋找相應航材以及替代航材時間,節省時間成本,提高效率。
(5)基于三維電子數模及材料信息,開展復合材料部件修理性能虛擬仿真,驗證修理方案的可靠性。在具備修理復合材料部件施工能力的同時,加強部件修理的設計能力,最終建成產研一體化的先進的復合材料維修企業。
(6)建立以部件數據庫、航材數據庫、維修工裝數據庫、維修方案數據庫等為核心的航空復合材料部件維修大數據技術平臺,并進一步升級為云數據技術平臺。通過該平臺保證部件維修全流程中數據文件的唯一性,達到數據與復合材料部件維修諸多環節間的有效集成,確保數據流在復合材料部件維修全流程中的真實有效傳遞,實現大數據與云數據技術平臺和數字化生產線的有效銜接,實現航空復合材料部件維修的數字化集成,達到縮短周期和提升產品維修質量的效果。
3 航空復合材料維修數字化技術的實際應用案例

V2500 發動機風扇罩主體結構是由碳纖維和鋁蜂窩組成的三明治結構,實際是由 2~7 層不等碳纖維和兩種不同密度的蜂窩組成(如圖 1),由于其結構的復雜性,主體部位一旦發生損傷,使用二維圖紙進行維修,無論是在方案設計方面和工程施工方面都將是一大挑戰,并且增加了人為因素風險隱患。因此,南航沈陽維修基地首次應用數字化技術設計風扇罩損傷修理方案。具體步驟為:

航空復合材料維修數字化技術

(1)建立損傷模型:參考相關基準面,通過實際測量缺陷位置信息,在三維數模目錄樹下標注風扇罩損傷尺寸信息、輪廓尺寸信息、連接件信息、零部件件序號信息和材料信息等,直觀地獲得缺陷位置材料體系、緊固件品名材質、上下級部件的裝配關系等,通過逆向掃描模擬出風扇罩局部損傷的三維型(如圖 2)。

航空復合材料維修數字化技術

(2)建立維修模型:通過現場測尺、結合手冊信息和廠家維修圖紙在三維數模目錄樹下建立相關的維修信息,如材料信息(蜂窩、碳纖維層、玻璃布層、膠接層等)、各個修理的區域及尺寸信息和零部件件序號信息等,直觀地建立缺陷位置維修體系,通過逆向掃描模擬出風扇罩三維維修模型(如圖 3)。

航空復合材料維修數字化技術

從風扇罩的三維維修模型中不難發現,工作者在維修過程中可實現直觀地查找維修信息,避免出現由于讀圖失誤而造成的人為差錯,可以提高維修效率。打破以往采用二維圖紙編制超規范維修方案的模式,將三維數模維修方案引入文件,形成直觀簡潔的維修方案,加快方案編制的速度和審核速度,并在維修現場配備個人移動終端設備,在維修過程中隨時可以接近三維電子數模,查找確認相關信息,提高維修效率,減少人為差錯。

(3)剖析三維維修模型:與二維維修模型方案相比,使用三維數模進行編制維修方案共使用 4 張圖標便可以進行清晰的表達。而使用二維圖紙編制的方案共需要 11 張圖標,在查看過程中需往復進行細致的分析對比,且易出現讀圖失誤造成的人為差錯。由此可見采用三維數模編制維修方案可以大幅地減少維修方案的篇幅,工程師可以清晰明了地表明自身的維修思路和設計方案,工作者可以更加輕松地實施維修方案。
(4) 三維維修模型的展望:目前國內民用航空維修領域之所以沒有使用三維數模進行相關生產維修工作,主要是受到OEM 的限制,不能實時更新數模版本。南航沈陽基地在日常維修工作中,以手冊為基本依據的前提下,主要通過自我積累維修部件的三維數模,建立相關的數據庫和 NOTE 標注集。這樣便可以采取三維數模輔助快速識別部件損傷位置、航材基本信息、質量分區基本信息、損傷容限基本信息、維修章節基本信息、特殊要求(如磅力矩等)基本信息等,完成識別后有針對性的在維修手冊中進行確認核對工作;遇到超過手冊規定范圍的損傷,也可以通過三維數模編制維修方案,簡化方案篇幅,配合移動終端設備接近相關具體方案,直觀快速的理解并實施維修方案。
此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。

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