基于绝对节点坐标法的超大薄壁曲面结构装配偏差分析及装夹优化设计

发布时间：2020-05-15 18:44

【摘要】：超大薄壁曲面结构作为新一代运载火箭等航天产品骨架,其制造装配中的尺寸精度控制正面临严峻的技术挑战。由于曲面薄壁结构大柔性和几何非线性特点,装配过程中夹具定位方案的不同将导致整体结构刚度变化,进而影响结构装配偏差;当结构尺度增大至一定程度后装夹约束对刚度影响更大,导致装配偏差与装夹约束之间的关系更为复杂。目前超大薄壁结构装配中的装夹方案选取缺乏相关理论方法,主要依靠反复调试、修配保证精度要求,装夹方案的高效、高质量设计对装配精度和效率的提高至关重要。因此,建立考虑装夹约束影响的超大薄壁曲面结构柔性装配偏差计算模型,揭示装夹约束与超大薄壁曲面结构装配质量之间的关联关系,基于此建立装夹方案优化模型,实现超大薄壁曲面结构装配过程中装夹方案的优选,对航天超大薄壁曲面结构制造质量保证和生产效率提高十分重要。本文同时考虑装夹约束和零件偏差,建立不同装夹方案的曲面薄壁结构偏差描述模型;基于绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)构造曲面单元模型实现偏差精确计算;建立装配变形协调计算模型,研究装夹约束对结构装配偏差的影响规律;基于应变能建立曲面薄壁结构装夹方案评价模型,结合粒子群算法和有限元方法建立装夹优化模型,为不同几何构型、尺寸及初始偏差曲面薄壁结构实际装配应用中的装夹优化提供指导,对其装配精度提高具有重要意义。主要研究内容如下:(1)考虑装夹约束影响的曲面薄壁结构装配偏差计算模型由结构装配过程得到偏差主要影响因素,根据确定性定位原理和实际工程经验确立薄壁结构典型装夹方案,考虑装夹约束和零件偏差建立不同装夹方案的曲面薄壁结构偏差描述模型;基于绝对节点坐标法和连续介质理论构造曲面单元模型精确描述曲面薄壁结构变形;在绝对节点坐标法体系下推导系统约束方程和静力学平衡方程,计算偏差零件校形后的内应力并建立装配变形协调计算模型,通过数值迭代方法实现装配偏差的高效求解。(2)装夹约束对曲面薄壁结构装配偏差的影响研究对不同装夹约束结构进行装配变形协调仿真计算,分析了装夹约束条件以及零件初始偏差、几何尺寸和构型对其装配质量的影响。采用整边约束方案装配后偏差较大,且偏差在不同几何参数下的非线性变化趋势更明显;不同的约束变化方向对装配质量的影响程度不同。初始偏差形式影响装配质量对装夹方案的敏感程度;初始偏差量和几何尺寸影响装配偏差的变化速率;结构直径、宽度和开口角度对偏差的影响程度不同,在临界值处偏差增长呈现突跃。半球壳结构装配偏差小于圆柱壳结构,且偏差受约束位置改变的影响较大,而初始偏差量和几何尺寸对其偏差的非线性影响弱于圆柱壳结构。(3)基于应变能最小的曲面薄壁结构装夹方案优化设计以应变能为优化目标,结合粒子群优化算法与有限元方法建立曲面薄壁结构装夹布局优化模型;基于优化后的方案进行装配偏差分析,验证了优化模型的有效性;分析了结构尺寸增大对曲面薄壁结构装夹方案选取的影响。结构的最佳约束点个数随尺寸增大而增多,同时优化方案对结构应变能的减小作用减弱;当薄壁结构直径达到10m,优化方案不再能够显著降低零件最大变形,但其整体变形情况明显改善。
【图文】：

薄壁结构,构型,曲面

能够将具有初始偏差的零件校形到标准位置；薄壁零件在同一工位上的装配被认为是连续进行的，即在装配过程未出具松开状态；并且整个装配过程为准静态过程，忽略构件的速度及加速.3 不同装夹方案的偏差描述模型航天超大薄壁曲面结构主要包含两种不同几何构型，即圆柱壳结构和半，如图 2-5 所示。此类结构直径达数米至数十米，而厚度仅为 2~5 毫米生产加工及运输过程中受力极易产生柔性变形，是装配过程中零件偏差源。由于自身几何特征及装配特点，曲面薄壁结构主要具有以下几种偏弯曲偏差，，扭转偏差及二者的耦合模式，而不同的偏差模式将对装配偏同影响。一方面，零件偏差导致其装配连接点产生偏离其理论连接位置差，引起夹具产生克服该几何误差所需的装配校形力，进而影响零件的；另一方面，由于初始偏差的存在，零件在不同方案下进行装夹时在夹态发生变化，引起装配过程中校形力及零件内应力的变化，进而影响装差分布。因此，基于 2.1.2 节定义的两种薄壁结构装夹方案对圆柱壳和种曲面薄壁结构的典型偏差模式进行阐述，并定义偏差的定量分析参数

半球壳,矩形板,标准圆,单元

上海交通大学硕士学位论文2.2.2 非规则曲面板单元模型利用三维全参矩形板单元对圆柱壳体结构进行离散，单元可准确的描述其几何特征。然而，当利用该矩形单元对更为复杂的曲面结构进行离散时存在局限性如图 2-12 所示为采用矩形板单元离散的四分之一半球壳结构。该结构为标准球壳的一部分，上底和下底均为标准圆形。当利用矩形板单元进行结构构型描述时结构的下底仍保持为标准圆形而上底发生明显的畸变。图 2-13 所示为该结构在X-Y 平面上的投影。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH161.7

【参考文献】