基于3D打印技術(shù)的B737襟翼展開模型設(shè)計(jì)

摘? 要：復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致飛機(jī)維修困難且耗時，有時還會受限于零部件，導(dǎo)致飛機(jī)無法及時維修。近年來，隨著科技創(chuàng)新發(fā)展，3D打印技術(shù)在某些簡單制造行業(yè)已獲得成功應(yīng)用。而在航空業(yè)，3D打印技術(shù)也在不斷探索與推進(jìn)，如果能夠成功應(yīng)用，那么對于航空制造業(yè)而言將是一次劃時代的變革?，F(xiàn)選取B737襟翼為3D打印模型，從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分出發(fā)，通過3D打印技術(shù)打印出B737襟翼模型，模擬襟翼的收放，并從設(shè)計(jì)思想和運(yùn)動狀態(tài)兩點(diǎn)對收放分別進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);B737;模型設(shè)計(jì);襟翼展開

1? ? 3D打印技術(shù)的應(yīng)用與可靠性

1.1? ? 3D打印技術(shù)在航空航天上的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，美國是當(dāng)之無愧的先行者，例如Optomec Design公司對故障的飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件基于新件打印進(jìn)行修復(fù)，效果顯著。此外，波音公司也緊隨其后，用3D打印技術(shù)打印出了飛機(jī)上大約300個不同的零部件。NASA的航天研究中心還對打印出的火箭發(fā)動機(jī)噴嘴進(jìn)行了高溫點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。除了以上兩個領(lǐng)域外，3D打印技術(shù)在工業(yè)制造、食品生活、軍工武器等方面都有所應(yīng)用并且潛力巨大。

1.2? ? 3D打印技術(shù)的可靠性

3D打印技術(shù)可以節(jié)省材料，提高材料利用率。用其替代傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，可以小量生產(chǎn)，降低成本;能夠?qū)群蛷?fù)雜程度較高的零部件進(jìn)行制造;能夠直接通過CAD和Pro/E等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件將圖形轉(zhuǎn)化為實(shí)物;而且分布式生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了它能夠隨打隨取，生產(chǎn)速度快，平面圖紙到實(shí)物在短短幾小時內(nèi)就可以完成。此外，組裝好的產(chǎn)品也可以進(jìn)行打印，因此降低了組裝成本。

在航空方面的應(yīng)用，難度在于航材打印材料的研發(fā)，既要滿足材料強(qiáng)度和剛度的要求，同時又要可以應(yīng)用在3D打印機(jī)上，這樣才能保證打印出來的組件可以直接用作航空維修的配件。但是隨著科技進(jìn)步，未來的發(fā)展方向必然趨向于3D打印技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)的逐漸成熟將引發(fā)時代的變革。

2? ? B737襟翼展開模型設(shè)計(jì)思想

襟翼在飛機(jī)起飛和降落時都應(yīng)該是處于展開狀態(tài)的。起飛時展開是因?yàn)檎归_的襟翼增加了機(jī)翼面積，從而達(dá)到了增加升力的效果。降落時展開襟翼是為了降低飛機(jī)的著陸速度，增大阻力，從而能夠快速地使飛機(jī)進(jìn)行減速。

因?yàn)闂l件有限，所以采用樹脂粉末材料進(jìn)行打印?？梢杂^察到打印是從最底層逐漸向上進(jìn)行疊加，最終完成整個襟翼的打印，打印完成后會殘留一些原材料，可以進(jìn)行回收利用。

襟翼的各部分是分開打印出來的，打印好之后需要進(jìn)行組裝。主要是搖臂和連桿的連接，連桿和襟翼的連接，組件之間打孔由中心軸連接。

3? ? 展開模型

展開模型主要是從以下兩方面進(jìn)行的：

3.1? ? Pro/E繪圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用3D打印制造模型，首先要利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Pro/E進(jìn)行產(chǎn)品的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，然后將電腦與3D打印機(jī)連接，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號進(jìn)行3D打印。

在制圖之前，首先在圖紙上進(jìn)行了襟翼模型的圖紙繪畫，對襟翼各部分尺寸的大小進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)并在圖紙上進(jìn)行尺寸標(biāo)注，例如每層襟翼的厚度、寬度，襟翼弧線的彎曲弧度。因?yàn)锽737的后緣襟翼是雙開縫式襟翼，在設(shè)計(jì)時要注意各級襟翼尺寸的契合度，確保能夠自由安全地展開。

設(shè)計(jì)大體如圖1所示。

3.2? ? 襟翼的展開形態(tài)

雙開縫式襟翼的展開形態(tài)共有三種，即Ⅰ級形態(tài)、Ⅱ形形態(tài)、Ⅲ級形態(tài)，分別對應(yīng)的是襟翼的三種不同展開程度，Ⅰ～Ⅲ展開面積逐漸變大。

Ⅰ級展開：電控系統(tǒng)首先啟動，給電動馬達(dá)傳遞展開襟翼的電信號，接收到信號的電動馬達(dá)開始啟動，馬達(dá)直接帶動鋼索進(jìn)行收放，鋼索會驅(qū)動搖臂推動襟翼進(jìn)行初步展開，這一階段各層襟翼展開1/3。

Ⅱ級展開：在Ⅰ級展開的基礎(chǔ)上，作動筒繼續(xù)做功推動搖臂。值得注意的是，第一層的襟翼在正常情況下有一部分是收在機(jī)翼主體的下方空腔里面的，第二層則是在第一層里面。當(dāng)襟翼展開時，機(jī)翼主體下方的搖臂連桿推動第一層襟翼進(jìn)行展開，第一層的展開會促使與之相連的第二層搖臂進(jìn)行搖動，然后推動第二層襟翼展開。

第二層展開需要用到滑軌和支架滾輪，在展開時搖臂會推動滾輪，滾輪在滑軌內(nèi)進(jìn)行滾動，此時各層襟翼展開2/3。

Ⅲ級展開：將各層襟翼全部展開，此時飛機(jī)的升力達(dá)到最大，一般在飛機(jī)起飛和降落時才會進(jìn)行Ⅲ級展開。

4? ? B737襟翼展開的仿真模型

在經(jīng)過前期的大體設(shè)計(jì)之后，用3D打印機(jī)打印出了襟翼的各部分實(shí)物，包括每一層的襟翼以及襟翼之間連接所用的連桿和搖臂。對于控制系統(tǒng)的組成，選取了電機(jī)、齒輪、搖臂和金屬連桿等;控制系統(tǒng)中還設(shè)置了轉(zhuǎn)速控制器，利用轉(zhuǎn)速控制器，可以自由控制襟翼的收放速度。模型的成品圖如圖2所示。

4.1? ? 機(jī)械部分

實(shí)物的展開模型是基于理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。襟翼共兩層，是雙縫后退式襟翼，第一層襟翼與控制系統(tǒng)的金屬連桿連接固定，連桿可以直接帶動第一層襟翼進(jìn)行展開。第二層與第一層之間通過兩根連桿相連接，兩連桿之間通過緊固件進(jìn)行固定，從而傳遞力的作用。第二層與第一層的連桿連接固定，因?yàn)榈谝粚咏笠淼膬蓚?cè)有滑軌，所以第二層通過搖臂在滑軌之間的伸展動作達(dá)到展開的目的。

4.2? ? 控制部分

控制部分主要分為四部分：電機(jī)、齒輪系統(tǒng)、搖臂連桿機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)速控制器。此處選擇了12 V的電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速45 r/min，連桿的行程為2～8 cm。電機(jī)啟動后，內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動齒輪，齒輪與搖臂相連，帶動搖臂進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)，搖臂再和連桿連接，搖臂轉(zhuǎn)動180°，則連桿完成一個襟翼的展開動作。轉(zhuǎn)速控制器通過輸入、輸出線直接和電機(jī)相連，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕改變電機(jī)功率，從而改變連桿的行程速度。

5? ? 結(jié)語

本文對B737的襟翼展開做了模型仿真，設(shè)計(jì)了襟翼各部件，并對聯(lián)動結(jié)構(gòu)和方式進(jìn)行了講解，分別從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)對展開方式下各部件運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了觀察和記錄，最終基于理論分析完成了實(shí)物設(shè)計(jì)。

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收稿日期：2020-06-12

作者簡介：楊天賀（1985—），女，吉林梨樹人，講師，研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)及維修。