基于子结构的飞机机体柔性薄壁件装配精度分析方法研究

发布时间：2020-05-10 22:39

【摘要】：飞机机体结构复杂、零部件众多,其装配过程工艺流程长、协调匹配工作量大,是飞机制造的主要环节。装配过程的精度控制不仅影响到最终机体的气动性能和结构安全,对生产效率也有重要影响。装配精度分析是模拟装配偏差传递、控制装配精度范围的基础理论工具。目前,飞机机体的装配精度分析仍以传统基于运动学的刚性分析为主,仅能处理单一定位因素,适用范围狭窄。机体零件大多为薄壁结构,刚性低,装配约束关系复杂,装配过程变形明显,以静力学为基础的柔性装配精度分析可以考虑更完整的产品与工艺因素,获得更准确的分析结果。然而,现有柔性装配精度分析方法针对复杂装配过程建模繁琐,忽略了与变形同时产生的装配应力,且无法考虑结构刚度在装配过程中的变化,难以完全满足飞机机体柔性薄壁件装配精度分析的需求。完全意义上的柔性装配精度分析方法都是在结合一定的模型缩减技术基础上发展起来的,以降低有限元方法和统计分析结合带来的巨大计算量。作为一种典型的有限元模型缩减方法,子结构技术具有缩减灵活、信息完整和修正方便的特点,为克服当前柔性装配精度分析方法中存在的不足提供了可能性。本文以子结构技术为基础,针对机体薄壁件装配过程,研究偏差传递的高效建模,及在偏差传递模型基础上对装配精度和装配应力的协同分析,并进一步考虑由装配残余应力引起的结构刚度变化,研究子结构的更新及基于更新子结构的非线性分析算法,最终形成了适用于飞机机体薄壁件的柔性装配精度分析新方法。本文的主要研究内容及创新工作如下:(1)薄壁件装配过程偏差传递的子结构建模针对机体薄壁件复杂装配过程的偏差传递,结合子结构技术缩减灵活的特点,提出基于子结构的高效建模分析方法。首先,通过研究面向多工步装配的子结构提取及面向重复性构件的子结构变换,形成了柔性零件的子结构缩减方法;然后,以零件子结构为基础,通过装配过程的单元工步分解,引入装配附加边界条件,研究了机体薄壁件典型装配过程的偏差传递建模方法;最后,结合蒙特卡罗仿真对偏差传递模型进行统计精度分析。该方法在保持模型精度降低模型规模的前提下,大幅减少了偏差传递建模过程的有限元分析次数,显著提高了建模效率。(2)薄壁件装配精度与装配应力的协同分析针对机体薄壁件装配高精度低应力的综合控制要求,结合子结构技术信息完整的特点,提出装配精度与装配应力的协同分析方法。首先,通过研究子结构位移与应力场的输出变换方法,将输出变换矩阵引入零件子结构系统,实现了基于装配偏差恢复的装配应力分析;进一步,研究了输出变换矩阵在同规格零件间的变换重用,以及装配应力的综合评价方法;最后,将应力分析融入基于蒙特卡罗仿真的统计精度分析中,对装配偏差与装配应力协同进行统计分析。该方法在子结构偏差传递模型基础上既分析了装配精度又分析了装配应力,扩展了分析范围。(3)考虑薄壁件应力刚化效应的子结构更新针对机体薄壁件装配过程中的应力刚化效应,结合子结构技术修正方便的优势,分析薄壁件由于装配残余应力存在而引起的结构刚度变化,并通过对子结构进行更新将刚度变化引入到柔性装配精度分析中,提出基于子结构更新的非线性分析算法:通过纽曼展开技术降低子结构更新的计算量;采用分段线性策略求解非线性偏差传递模型;并引入低偏差序列代替伪随机数以提高蒙特卡罗仿真的收敛速度。该方法将刚度变化引入到子结构偏差传递模型中,提高了模型在非线性条件下的适用性。(4)机体薄壁件装配实验与仿真精度验证在上述理论方法研究的基础上设计、开展了两组装配实验,以验证方法的准确性。实验分别在一组特征组件和一组机身侧壁板组件上进行。从零件结构、工装布局、装配工艺和测量方法四个方面设计了实验方案,并研究了测量数据的处理方法,最后通过仿真与实验结果的对比分析对前文方法的仿真精度进行了验证。特征组件装配实验从分析预测装配偏差水平、分布和演变三个角度验证了本文方法具有很高的准确性;侧壁板组件装配实验表明,本文方法在复杂工程条件下的仿真精度能满足工程要求。(5)工程应用在上述研究基础上,围绕信息读取及预处理、装配过程建模、蒙特卡罗仿真、子结构更新、结果后处理及输出五个功能子模块,开发了基于子结构的柔性装配精度分析计算程序。将所开发程序应用于某机型后机身排气管安装等实际工程案例,从控制几何精度和残余应力综合角度,从工艺、公差、结构多个方面对不同设计方案进行量化的分析、比较和优选,为面向装配质量的飞机机体产品与工艺设计提供了有效的理论指导。本文的研究实现了对薄壁件装配精度的高效全面准确分析,不仅适用于飞机机体,对其它薄壁结构机械产品的装配精度分析也有指导意义。
【图文】：

曲柄滑块机构,矢量,功能特征,量法

图 1-2 某曲柄滑块机构装配矢量环（直接线性法）[27]Fig. 1-2 Vector loop model of crank slider mechanism (DLM)[27](a) (b)顶尖机构 (雅克比旋量法)：(a) 功能特征及局部坐标系；(b) 装Centring pin mechanism (Jacobian-Torsor method): (a) functional flocal coordinate systems; (b) connection graph[30][33, 34]

装配连接图,功能特征,量法,局部坐标系

(a) (b)图 1-3 某顶尖机构 (雅克比旋量法)：(a) 功能特征及局部坐标系；(b) 装配连接图[30]Fig. 1-3 Centring pin mechanism (Jacobian-Torsor method): (a) functional features andlocal coordinate systems; (b) connection graph[30]（2）基于离散点式，代表性方法为确定性定位法[33, 34]。该方法针对一般三维工件的确定性定位，即空间 6 自由度受到完全约束的定位，如图 1-4 所示，推导了工件定位偏差和定位点制造偏差之间的三维传递模型：10 R q J Φ R (1-1)其中，0 q 是工件定位后的位置和姿态偏差， R 是6 个定位点的制造偏差，而J 、RΦ 则是与定位点坐标和控制方向有关的传递矩阵。确定性定位法的问题在于，当定位特征是一个大的完整表面如大平面时，需要根据该特征所起的限位作用将其离散为一定数量的定位点，而这些定位点应该如何分布并无严格的规则可循。不过从另一个角度看，，这种离散对后续与同样是基于离散点（有限元）的柔性装配精度分析结合是有利的。需要说明的是，由于应变是位移的导数，变形分析本身就内含运动学分析。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V262.4

【参考文献】