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西工大航空宇航装配研究所:为大飞机组装坚实的“铠甲”

   中国教育在线    2019-01-08    

  中国教育在线讯 当你坐在飞机上旅行,或者在电视上看到火箭升空时,有没有好奇地想过:飞机、火箭看起来坚固的外壳,是怎么一块块组装起来的?又是什么样的装配技术,能让这些飞机火箭的“铠甲”抵抗住强大的外力作用呢?

  你也许想象不到,在人类科技飞速进步的21世纪,飞机的外层“铠甲”很大程度上依然是由工人手工定位、制孔、铆接来实现装配的。而西北工业大学机电学院航空宇航装配研究所,正是致力于将飞机的“铠甲”装配方法从传统装配迈向由自动化精准装配。

  飞机的“铠甲”在专业领域被称为“壁板”。随着我们对飞机的性能要求越来越高,壁板所承载的功能日渐增加,单块壁板的尺寸也不断增大,这样的壁板被称作“大型功能壁板”。西工大航空宇航装配研究所经过十几年的不断钻研、探索和创新,联合西安飞机工业(集团)有限责任公司(后简称西飞)和成都飞机工业(集团)有限责任公司(后简称成飞),通过理论创新、技术突破、装备研发、工程应用,建立了基于动态载荷跟踪测控的大型功能壁板自动精准装配技术体系,获2018年度国家科学技术进步二等奖。1月8日,团队的张开富教授作为项目的第一完成人,在人民大会堂受到党和国家领导人的亲切接见。

  立志:为我国航空领域重大瓶颈提供自主解决方案

  时间回到2006年,课题组几位青年教师来到西飞开展技术合作。一次偶然的机会,大家与技术员在聊天中发现,飞机的壁板在装配过程中很容易产生变形、缺陷等,从而导致质量下降。

  “你看,尽管飞机的刚性很好,可是飞机的壁板刚性很差,我们很难实现在装配过程中对壁板的精准控制。”一名技术人员向课题组求助。

  当时,正处在某型号的关键攻关期,“这个问题解决不了,我们研制的壁板就无法满足设计的使用要求。”技术人员心急如焚。

  怀着为国家重要型号服务的担当意识,课题组当即决定试一试。然而这条路究竟能不能走通,他们的心里也没底。毕竟,那时大型壁板的全新装配方法在国内还从没有人实现过,甚至在国际上也是航空制造业的一大难题。

  纵观全球,进入21世纪后,随着航空航天工业的发展,飞机等飞行器的性能要求不断提升,传统的模拟量刚性装配方法已无法满足壁板新的要求。本世纪初,我国与欧美国家都遇到了这一难题,西方某国甚至出现了因工艺不达标而推迟产品交付的情况。大型功能壁板的装配问题,已经成为全球航空领域亟待突破的重大瓶颈。由于欧美总体工业实力雄厚,他们在解决壁板装配问题的过程中,遇到的困难相对较小,壁板自动化精准装配技术的发展也相对较快。

  与此同时,随着我国航空航天事业的突飞猛进,各种大体型、高性能的新型号不断涌现,特别是大飞机等研制,促使航空工业迫切需要更高水平的壁板装配工艺和设备。

  团队学术带头人张开富教授说:“过去的壁板尺寸小,最长的也就5米,而现在的壁板一块就长达十几米。壁板的材料也不再单一。装配精度更是大大增加,从以前的毫米级,提高到了亚毫米级。”

  一块十几米长的大型壁板的刚性还不如一张普通的A4纸。想象一下,在一张A4纸上钻孔,然后用铆钉将两张纸连接起来,连接的部分不仅要光滑平顺,铆钉不能凸出凹陷,还要保证在这一过程中纸张不变形、密闭性良好、使用寿命增加。在A4纸上做到这些就已经非常不容易了,更何况是在物理性质更复杂的大型壁板上操作,其难度可想而知。

  团队发现,传统装配方法不可避免会出现毛刺、接头畸变等连接缺陷,以及阶差、缝隙、钉头凹凸等表面超差问题。因此,想要有所突破,肯定不能在手工方法上进行提升,而需要在壁板装配中引入自动化装备。国外在壁板装配自动化设备方面已有突破,然而他们对我国实行了严密的封锁。想要做出我国的壁板自动化装配设备,必须依靠自主创新。

  创新:建立从理论到技术再到装备的技术体系

  一开始,团队从容差分配角度着手解决壁板装配过程中出现的误差和缺陷。然而,经过一段时间的探索,他们发现容差分配根本控制不了大型壁板的变形和缺陷。自己熟悉的方法解决不了,那就试试其它办法!大家又从装配工装设计、工艺参数优化等方面入手,然而都没有达到理性的效果。几经受挫后,大家并没有放弃,而是继续摸索,在不断地深入研究中,思路逐渐被打开,慢慢地发现,所有的问题都指向了壁板装配过程中的“动态载荷”。

  所谓动态载荷,就是在装配壁板的过程中,壁板在不同时间受到不同的外力作用,对应壁板上每一点的受力情况都在不停地变化。比如,装配过程中壁板会受到来自工装、刀具、铆钉等各方面的不同的力,从而产生变形。

  这种受力情况在壁板的定位、制孔、连接过程中不断发生变化,非常复杂,想要提高制备精度、减少变形和质量问题,就必须克服这些问题。

  抓住了动态载荷这个核心问题,团队一头扎进西飞的装配厂,仔细研究装配过程的每个细节,经过不断摸索,他们利用高校在理论研究方面的优势,一步步揭示了动态载荷导致各类连接缺陷和表面超差的内在规律,并在这一理论创新的支持下,与西飞、成飞一起,逐步创建了一系列技术规范,研制了一批装备,成功解决了壁板装配过程中的问题。

  历时11年,项目组在国家863计划、科技支撑计划、数控机床专项等的支持下,建立了基于动态载荷跟踪测控的大型功能壁板自动精准装配技术体系。这一体系覆盖了理论创新、技术突破、装备研发、工程应用的一整套环节。在理论创新方面,建立了动态载荷跟踪测控的功能壁板精准装配理论。在技术突破方面,提出了“瞬态诱导控载”的壁板连接缺陷精准控制技术,以及“点面均衡施载”的壁板表面误差精准控制技术。在装备研发方面,自主研发并投产了十几台/套大型功能壁板自动精准装配装备。

  项目成果曾获陕西省科学技术奖一等奖1项,授权发明专利13件、软件著作权12件,主持制订实施航空行业标准2项、企业标准/规范10项,出版专著1部,发表SCI收录的学术论文32篇。

  团队发表的理论成果得到ASME(美国机械工程师协会)终身成就奖获得者、复合材料顶级期刊主编、ASME结构与材料委员会主席等国际权威专家的诸多好评。

  这一新型技术体系,成功实现了壁板由尺寸精度协调的刚性装配向动态载荷跟踪测控的自动精准装配的转变。这项技术体系在C919、ARJ21,以及我国航空航天多项重点型号上得到工程应用,推动了我国航空航天型号实现“跨越式”发展。

  铸魂:用“爱国、创新、力行、担当”的团队文化培育国防英才

  “墨卷桃李传天下,青锋赤胆奉家邦。”一位从西工大航空宇航装配研究所毕业的博士生,曾用这两句话展现了团队在育人和科研方面的齐头并进。

  经过十几年的发展,团队现共有教授3人,副教授4人,助理研究员1人,博士研究生20余人,硕士研究生30余人。这是一支年轻的队伍,团队老师以70后、80后为主。

  张开富说:“团结协作对于团队至关重要。一个团队里,大家要互相支持,相互帮助,互相鼓励,这样不仅能做出好成绩,更能让大家在这里接受磨练,共同成长成才。”

  经过长期的实践和磨练,团队逐渐形成了“爱国、创新、力行、担当”的团队文化。为国家重大型号做贡献,爱国是基础和前提;创新则是学术研究的灵魂;在具体的工作中,需要脚踩泥土,踏踏实实地干;在遇到困难和阻碍时,则需要担当的精神和勇气。

  团队的师生们至今难以忘记,2011年大家在还没有盖好的厂房里调试设备的经历。当时,“离厂房正式建好还有几个月,可是型号研制任务要求,厂房一建好,飞机就要开装,时间不等人。”就这样,在尘土飞扬的环境中,大家开工了。

  为了赶上型号研制任务,团队老师带着学生每天早上7点从住处出发,步行近4公里来到厂房,一干就是一整天,一日三餐都在厂房里解决,到了晚上厂房停电再离开。这样高强度的工作,一直持续了近一年。与团队一起工作的工人换了一批又一批,从最开始的建筑工,到装修工,再到清洁工,最后才是工厂的装配工艺员和工人。他们的工作环境也从尘土飞扬,逐步到干净整洁。当时,团队成员大多是研究生,还有几位女老师和学生,然而,就是在这么艰苦的条件下,团队中从来没有一个人说过一句抱怨的话。

  “你们不觉得苦吗?”记者问。

  当时还是博士生,现在已经是副教授的程晖笑笑说:“那时真没觉得,就是想早点把设备调试好,事后回想,当时条件确实比较差。不过,我们那时都很开心。大家一起为同一个目标拼,特别有干劲儿。”

  团队青年教师骆彬说:“我们团队风气好,很大程度上是因为李原老师和张开富老师以身作则,大家都以他们为榜样。”

  不论工期再紧、工作压力再大,张开富总是叮嘱大家:“我们一定要吃好饭、睡好觉。”所以,在最辛苦的时候,大家也能睡够8小时、中午“加鸡腿”,每周轮流休息。而工厂每天的“加班饭”,也成为大家久久不能忘怀的温暖回忆。

  随着时间的流逝,团队最初的几名成员——刘书暖、程晖、刘平、骆彬等都逐渐从学生成长为老师,他们也逐渐体会到,在那段“艰苦创业”的日子里,团队老师在给大家加油打气、营造良好氛围的背后,是他独自承受的巨大压力。

  记者发现,在本次获得国家科技进步奖的获奖名单中的李原老师,是团队中年龄最长的教授,她是张开富教授的老师,也是团队成员程晖、刘平、骆彬等老师的研究生导师。

  “许多年来,李老师为我们团队做了大量的工作,却从来不计名利。可以说,如果没有李老师的指导,就没有我们今天的成绩。可是,每当遇到成果、论文署名时,她总是把自己排在后面,把荣誉留给年轻人。”提起恩师,各位团队成员的言语中充满了敬佩和爱戴。

  身教胜于言传。团队的老师通过自己的实际行动,将西工大“三实一新”的校风,润物细无声地传授给了学生。

  近年来,团队成员主持国家自然科学基金、民用飞机科研专项、国防基础科研、重大型号攻关计划等项目近30余项,发表SCI论文50余篇,授权发明专利20余项,软件著作权20余项,主持制定航空行业标准2项,企业标准规范10项。

  团队获2018年国家科学技术进步二等奖1项,2015年度陕西省科学技术奖一项,首批陕西省自然科学杰出青年基金1次,陕西青年科技奖1次、陕西省中青年科技创新领军人才1次,陕西省青年科技新星1次,陕西省普通高校青年杰出人才1次,陕西省优秀博士论文1次。

  十几年来,团队培养了一批又一批的学生,在团队文化的熏陶下,他们主动担当国家国防科技工业发展的时代重任。从团队毕业的研究生中有90%以上进入国防军工企业或高校工作,为祖国的国防事业和教育事业,不断贡献着西工大力量。(通讯员 赵珍)

  

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