航空制造技术杂志社 创造价值 贡献航空 “大飞机专刊”征稿

选题背景。随着全球经济活动的发展,航空技术推动着航空运输在过去几十年中保持增长态势。专家预测,未来10年全球航空运力短缺,新飞机交付量将达2.06万架。为应对世界石油危机、全球变暖及其导致的极端气候,实现碳达峰和碳中和,未来大型民机将会朝着新能源化、低能耗化和超声速化的方向发展。本刊继续策划和推出“大飞机专刊”,从飞机构型、结构设计、制造工艺、新材料、新动力形式、新能源化等方面阐述大飞机的关键技术和发展趋势,欢迎专家学者们提供优秀稿件。

高能束表面改性技术在航空领域的应用

高能束表面改性适用于各种金属和合金,能够显著提升材料表面硬度、耐磨、耐蚀等性能指标,是航空部件实现性能提升的有效手段之一。本文总结了6种高能束表面改性技术的基本原理、设备构成和改性应用,其中激光相变硬化通过马氏体相变强化金属材料表面;激光熔覆通过选择不同粉末实现表面修复和表面性能提升,重点在于控制裂纹缺陷;激光冲击强化可有效解决航空发动机部件高周疲劳断裂问题;强流脉冲电子束和强流脉冲离子束一方面需要提高设备的性能和运行稳定性,另一方面要针对航空部件应用开展深入研究;而离子束辅助沉积则可以通过制备固体润滑涂层实现对微动磨损的有效防护。最后,提出对高能束表面改性机理深入研究、发展专业化智能化装备和实现多种束源复合与集成的发展方向。

不同成形方式对WE43镁合金组织和力学性能的影响

采用激光选区熔化成形(SLM)、铸造及挤压方式制备了WE43镁合金试样,通过维氏硬度计、密度测试计、光学显微镜、扫描电镜以及拉伸试验机等设备分析了不同制备方式下WE43镁合金的宏微观组织和力学性能变化规律;设计了基于指数函数的模型对不同成形方式的WE43应力–应变曲线进行统一拟合,为WE43材料未来增材、减材以及等材工艺复合制造复杂零件打下基础。结果表明,SLM成形WE43有明显的各向异性,铸态和挤压态不明显。SLM成形WE43镁合金的强度最高,抗拉强度达到313 MPa,是铸态的183%;挤压态WE43镁合金塑性最好,伸长率达到10.2%,是铸态的232%;此外,SLM态镁合金密度只有1.731 g/cm^(3),仅为挤压态的85.7%和铸态的95.2%。在断裂特性上,SLM态和挤压态为韧性断裂,而铸造态为脆性断裂。在内部存在20μm左右孔洞形缺陷的情况下,SLM成形镁合金依然具有最高的强度,主要原因是SLM成形WE43镁合金平均晶粒尺寸仅为2.6μm,基体内存在大量的稀土相沉淀以及纳米级亚稳相。由此可知,通过进一步的后处理方法焊合SLM态镁合金内部孔洞形缺陷后,材料力学性能可以大幅提高。

基于结构光的飞机蒙皮对缝自主测量跟踪技术

针对飞机蒙皮对缝间隙和阶差的自动化测量问题,以线结构光视觉检测技术为基础,研究了蒙皮对缝自主测量跟踪方法。将传统的基于图像形态学的处理方法和光流法结合,实现了对蒙皮对缝特征的实时跟踪,从而确定间隙和阶差的测量位置。通过实测数据对手眼标定参数进行修正,提高了对缝跟踪的精度。结果表明,当跟踪速度为7 mm/s时,对缝跟踪的位置精度大于0.500 mm,对缝跟踪的姿态精度大于0.5°,跟踪系统具有较好的准确性和稳定性,能够满足飞机蒙皮对缝跟踪的要求。

超声能场在金属增材制造组织性能调控中的应用

针对金属增材制造构件存在微观组织缺陷、残余应力及各向异性等问题,各种组织性能调控技术应运而生。结合近年来超声能场对增材制造组织性能调控的研究工作,详细分析了超声能场在增材制造过程中的“液-固”双重效应,总结了超声能场对增材制造金属材料的显微组织及其表面粗糙度、显微硬度、残余应力、耐腐蚀等性能的影响。研究表明,超声能场使材料内部组织晶粒显著细化、孔隙率降低、耐腐蚀性能提高;同时使增材制造构件显微硬度升高,应力状态向有利于构件性能的残余压应力转变。

背面焊缝激光重熔处理对Ti/Al高速FA-MIG焊接头组织性能的影响

针对钛/铝单面高速超威弧熔化极氩弧焊(FA-MIG)熔钎焊界面组织性能差异大的问题,采用激光对TC4钛/5A06铝FA-MIG焊接头的背面焊缝进行重熔处理,以改善Ti/Al界面显微组织的差异性,提高接头的力学性能。通过不同工艺下接头组织性能的对比分析,研究激光向铝侧偏移量d、激光功率q和焊接速率v对接头组织性能的影响。结果表明,d、q和v对接头组织性能具有重要影响;在d=2 mm,q=1.3 kW,v=5 mm·s^(-1)条件下,经重熔处理的接头根部TiAl3界面反应层明显增厚,接头厚度方向Ti/Al界面显微组织差异明显降低;接头抗拉强度超过280 MPa,比未经处理的接头提高了约20%;拉伸断口呈塑性+脆性混合型断裂。

前混合水射流喷丸单丸粒冲击特性研究

单丸粒冲击特性是研究混合射流表面喷丸强度和覆盖率的基础指标,丸粒特性与靶材特性均会对冲击后的弹坑形态产生影响。以不同热处理后的18CrNiMo7-6低碳合金钢为靶材,研究了不同丸粒冲击条件下的弹坑特性。从弹坑形成机理出发,建立了单丸粒冲击弹坑尺寸模型,并通过试验研究,修正了高硬度靶材弹坑的误差,使弹坑深度预测误差降低到30%以下。在此基础上,研究了弹坑相关特征参数(深径比、坑深坑直径占比、脊高)的规律。结果表明,丸粒硬度和靶材硬度对深径比以及坑深直径占比影响最为显著,而弹坑周边的脊状结构只存在于低硬度靶材中。各参数对脊高的影响由大到小分别为丸粒直径、丸粒硬度和丸粒速度。

基于旋量理论的镜像加工运动学建模及轨迹自动修调研究

针对镜像加工过程中结构变形致使加工精度难以控制的问题,建立了基于旋量理论的镜像加工剩余壁厚运动学模型,综合考虑零件加工要求及镜像约束关系,提出了镜像加工“支撑-铣削”轨迹生成方法,建立了针对工件变形补偿的镜像支撑轨迹修调模型,实现了镜像加工“支撑-铣削”轨迹自动修调。栅格壁板镜像加工验证试验结果表明,提出的镜像加工“支撑-铣削”轨迹生成和自动修调方法可以满足镜像加工剩余壁厚要求。

激光定向能量沉积DD405单晶高温合金的裂纹形成机制研究

采用激光定向能量沉积技术制备了第二代单晶高温合金DD405薄壁结构,通过试验和理论相结合的手段对单晶高温合金在激光定向能量沉积过程中的热裂纹形成机制进行分析和探究。结果表明,热裂纹的形成是由应力集中、液膜稳定性和碳化物析出相3个因素所决定的。由于激光定向能量沉积过程的逐层叠加,残余应力随着沉积高度递增,因此沉积区存在高水平的残余拉应力。沉积区的晶界处会出现显著的应力集中,液膜在两侧拉应力作用下发生撕裂导致裂纹萌生。液膜稳定性与相邻晶粒间的晶界角度密切相关,当大角晶界大于40°时,会在拉应力的驱动下形成热裂纹。MC型碳化物析出相通过“钉扎作用”抑制液相补缩及弱化与基体之间结合强度等作用进一步促进了热裂纹形成。

基于YOLOv7通道冗余改进的飞机蒙皮损伤检测

为提高蒙皮损伤检测的自动化程度,提出一种基于改进YOLOv7通道冗余的机器视觉检测方法。首先针对飞机蒙皮损伤数据集背景单一的特点,提出增强型颈部特征融合改进算法,提高了飞机蒙皮损伤的识别精度和检测速度;其次针对主干特征提取网络的卷积通道冗余的问题,引入部分卷积PConv(Partial convolution),提出主干特征提取网络轻量化,减少模型的参数量,同时提高损伤的识别效率。试验部分首先在飞机蒙皮损伤数据集上探索了不同增强型颈部特征融合改进算法,确定了最优的改进方案;接着在飞机蒙皮损伤数据集上做消融和对比试验,改进算法与原YOLOv7算法比较,mAP(Mean average precision)提升了2.3%,FPS(Frames per second)提升了22.1 f/s,模型参数量降低了34.13%;最后将改进的YOLOv7模型与主流目标检测模型对比,证明了改进算法的先进性。

铆接夹层间隙对单搭接铆接头振动疲劳性能的影响研究

为了考虑装配间隙对单搭接结构振动疲劳性能的影响,利用ABAQUS软件建立了飞机发动机进气道局部结构金属铆接头的弹塑性有限元模型,采用Johnson-Cook失效模型模拟铆钉与被连接件的渐进失效行为,得到了不同装配间隙量的铆接头应力场分布与振动疲劳寿命。对单搭接铆接头进行振动疲劳试验,试验结果与仿真结果在疲劳寿命方面吻合较好,验证了数值模型的准确性。与无间隙模型相比,含间隙铆接试件各铆钉疲劳寿命降低了4.7%~18.0%,间隙的存在也导致了压铆过程中相邻铆钉间的挤压载荷传递,整体表现为铆钉与被连接板接触界面应力激增,导致有间隙铆接头残余应力场与无间隙铆接头残余应力场之间的差异,从而影响铆接头的振动疲劳性能。

碳纳米材料增强镁基复合材料界面调控的研究进展

碳纳米材料(石墨烯、碳纳米管)具有卓越的机械性能、优异的热力学稳定性和导电性,被认为是金属基复合材料的理想增强体。将碳纳米材料与镁合金复合,能够解决镁合金强度低、硬度低和模量低等问题。然而,由于镁与碳纳米材料不发生化学反应且润湿性能差,导致镁与碳纳米材料增强体的界面强度低,限制了增强体性能的发挥。利用界面调控物质改善复合材料界面结合强度是一种常用的方法。本文主要介绍碳纳米材料增强镁基复合材料的制备方法及界面调节材料的种类,着重讨论界面调节物质添加到复合材料中的方法,界面调节物质分别与增强体和基体的界面结合情况及其改善复合材料界面结合强度的作用机理。

基于优化Hough变换的铆接高度差亚像素检测方法研究

针对飞机铆接高度差的检测问题,提出了一种优化的Hough变换铆接高度差亚像素检测方法。该方法首先通过空间域点运算的灰度变换法对采集的铆接孔图像进行增强处理,然后利用局部阈值分割法进行图像分割,采用Canny算法进行边缘粗提取,再利用优化的Hough变换进行亚像素级的边缘精细提取,提取出铆接孔和铆钉钉头的圆环区域,最后结合RANSAC算法进行圆拟合,利用开发算子get_current_region_z()分别提取内外圆环区域的高度平均值,再通过函数height_Z()将所得的高度平均值作差即可得到铆接表面的高度差。经试验证明,该检测方法亚像素精确定位能力强,检测结果准确率高、稳定性好,重复测量精度可达到±10μm。

飞秒激光表面织构化对CFRP/2060铝锂合金高速激光连接接头剪切性能的影响

激光表面织构化作为提高异质结构接头剪切性能的有效手段,已广泛应用于碳纤维增强复合材料(CFRP)与金属材料激光连接领域中。采用波长515 nm的飞秒激光在2060铝锂合金表面制备微结构,采用能量密度分布均匀的矩形光斑实现CFRP和2060铝锂合金异质接头的高速光纤激光连接,探讨飞秒激光刻蚀深度、扫描线间距对异质结构接头剪切强度的影响规律。结果表明,通过飞秒激光织构化处理,异质接头剪切强度得到了大幅提升,接头破坏形式均为界面断裂和基体断裂的混合断裂模式。在激光功率5 kW、焊接速度高达3.6 m/min条件下,接头平均剪切强度可达35.7 MPa,是未经飞秒激光织构化接头的2.3倍。

双机镜像搅拌摩擦焊顶锻力变化规律与影响因素研究

随着搅拌摩擦焊板厚增大,设备承载能力无法满足单侧搅拌摩擦焊的高顶锻力要求,因而难以形成质量良好的焊缝。为了降低设备所受顶锻力,本文提出了一种双机镜像搅拌摩擦焊工艺方法,研究了工艺过程中顶锻力的变化规律和影响因素,并验证了该工艺的可行性和优越性。首先,建立热力耦合的有限元仿真模型,得到顶锻力随板厚的变化规律,同时得到了双机镜像搅拌摩擦焊工艺能够减小顶锻力的结论;之后,建立顶锻力估计模型,并基于数据驱动对模型进行试验修正和验证,实现无传感器的顶锻力监测;最后,在搭建好的试验平台样机上开展了镜像焊接试验、3组工艺参数的多因素试验及单侧搅拌摩擦焊对比试验,得到顶锻力随时间的变化规律和工艺参数的影响,验证了双机镜像搅拌摩擦焊工艺可以减小搅拌头所受顶锻力、降低设备承载能力需求的作用。

航空复合材料修复科学与工程技术发展

复合材料结构制造缺陷及服役中产生的损伤不可避免,因此开展复合材料修复科学与工程技术研究对保障先进航空飞机的全寿命周期安全运行可靠性具有重要意义。本文首先阐述了复合材料修复科学与工程技术的内涵;其次,梳理了目前国内外航空复合材料修复技术的发展方向,着重分析了先进复合材料修复理论、工艺、设计、检测及评估的科学问题及技术难题,并针对功能–承载一体化复合材料结构等新型前沿修复设计与技术进行了重点叙述;最后,展望了未来复合材料修复科学与工程技术的发展趋势,为我国复合材料智能化、快速化修复技术的研究与应用提供参考。

数字孪生在制造业中实现的关键技术及典型应用综述

数字孪生技术是实现智能制造和工业数字化转型的关键技术,受到学术界和产业界的广泛关注和研究。近十年来,随着数据采集技术、计算机性能和相关智能算法的迅速发展,数字孪生技术的研究及应用取得了巨大进展。针对数字孪生技术应用领域的多样性和对象层级的复杂性,本文回顾了数字孪生基本概念和模型的发展历程,综述了数字孪生技术在制造业应用的关键技术及其发展成果。在此基础上,阐述了数字孪生技术在制造业三个层级的应用现状以及数字孪生赋能智能制造的新范式。最后,展望了制造业数字孪生技术未来发展趋势,为后续研究提供参考。

薄壁结构件的正向吸附辅助支撑钻削工艺研究

航空航天领域中薄壁结构件的连接装配要求加工高精度的连接孔,但此类结构件钻削加工时变形大、易振动,严重影响制孔精度和表面质量,传统装夹方法存在装夹跨距大、难以充分有效支撑等问题。本文提出通过正向吸附辅助支撑,提高薄壁结构件加工时的局部刚度,进而提高薄壁结构件的加工质量,并通过仿真和试验相结合的方式研究了正向吸附辅助支撑对薄壁结构件钻削加工的影响。结果表明,在本文仿真和试验条件下,正向吸附辅助支撑可使钻削位置刚度提升40倍以上,孔壁粗糙度值降低67%以上,圆度公差降低60%以上,孔径偏差降低50%以上,同一孔的靠近出口、入口位置的孔径偏差降低90%以上。可见,正向吸附辅助支撑可显著提高薄壁结构件的制孔精度和质量。

机器人磨抛复杂曲面加工轨迹对表面质量的影响研究

为了探究不同加工轨迹及其排布对工件磨抛加工表面质量的影响,本文进行了机器人磨抛轨迹对工件表面质量影响规律的研究。基于Preston去除方程和Hertz接触理论建立了砂带磨抛加工材料去除深度模型,分析了表面残留纹理的生成机理。以曲面航空发动机叶片为试验样件,利用自行搭建的机器人磨抛系统,分别使用等距轨迹、摆线轨迹进行加工试验,分析材料去除效果及表面纹理情况。试验结果表明,采用传统直线加工的等距轨迹于搭接处产生条带状纹理;摆线因其多方向性的加工动作,均化了表面纹理,提高了加工表面一致性。

基于双混联机器人协同运动控制的薄壁件镜像铣削研究

为提高薄壁件镜像铣削过程中的加工质量,本文提出一种针对双混联机器人镜像铣削的协同运动控制策略。首先,结合机器人运动控制特点,研发出一种双CPU主从控制架构的开放式数控系统,以实现人机交互和运动控制;然后,为实现双机协同运动并提高薄壁件加工质量,在数控系统中集成了4大关键技术,分别是双机器人的镜像路径生成、同步速度规划、协同运动学和运动误差实时补偿;最后,基于自主开发的集成式镜像铣削数控系统,开展了单点和多点支撑、双机协同与非协同加工的平面薄壁件槽铣削试验,多点支撑的平面铣削试验,大曲率路径高速协同运动试验与曲面薄壁件槽铣削加工试验。试验结果表明,提出的协同运动控制策略能够保证双机器人具有较高的同步位置精度。此外,多点支撑方式在保证薄壁件铣削壁厚的同时,还可提高工件铣削的颤振稳定性。