面向壁板自动钻铆的批量铆接变形预测与优化

发布时间：2020-09-19 21:21

　　自动钻铆作为飞机装配过程中的重要环节,是实现飞机自动化装配的重要技术手段。由于壁板刚度小、钻铆点位数量多,使得铆接装配产生的整体变形,严重影响了飞机的装配准确度和协调性,降低了飞机的使用寿命。因此,提出一种基于实际钻铆规划且准确高效的飞机壁板铆接变形预测方法,对控制飞机装配变形具有重要的工程应用价值。本文以机身壁板MBD数模为研究对象,基于铆接变形的形成机理,实现了壁板批量铆接变形的有效预测。主要工作及创新点如下:(1)根据铆接工艺需求和MBD数模数据结构的特点,开发了钻铆点工艺参数信息提取与校验模块,在此基础上,以钻铆点信息为输入量,实现了壁板数模的批量制孔研究,完成了壁板有限元仿真模型的几何构建。(2)通过分析单钉铆接引起的局部场数据分布规律,提出了基于局部分层的位移场映射方法。以层节点为研究对象,有效减少了以单个节点为研究对象的工作强度大的问题,并通过模型对比验证了方法的有效性。(3)针对多钉铆接数值仿真耗时长的特点,以单钉铆接变形位移场为边界条件,采用分层映射算法,构建了批量铆接变形预测模型,并分析了工程应用中常用的铆接顺序产生的变形情况。在择优出较为理想的铆接顺序下,通过改进Dijkstra算法,提出了铆接点位子区域间的最优路径优化方法。(4)借助ABAQUS平台,自主开发了批量铆接变形分析软件模块,实现了局部映射区域的自动划分、批量铆接的局部映射算法、结果的自动输出等功能。本课题从构建壁板批量铆接变形分析几何模型的生成方法实现,到壁板批量铆接变形的预测研究,使得多钉铆接仿真时间得到有效改善,并通过实验对比表明,所建立的预测模型能较准确地预测批量铆接变形问题。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V262.4
【部分图文】：

系统图,铆接,壁板,装配连接

(c) 龙门式自动钻铆系统 (d) 机械臂式自动钻铆系统图 1.2 典型的自动钻铆系统铆接过程是多个零件间复杂的非线性接触过程，铆接时铆钉产生的弹塑性变形不可避免使被连接件产生变形。壁板等薄壁结构的铆接变形预测与控制方法研究一直是航空制造领域的研究重点。壁板作为飞机的关键部分，对保证飞机的稳定性起着至关重要的作用，由于其刚度小、尺寸大等特点，在铆接装配过程中钉孔周围会产生凹陷，远离钉孔处会发生翘曲变形[3]。壁板铆接时一般会涉及成千上万的铆钉连接，随着铆接的不断进行会使变形不断的积累，使壁板发生整体变形。在部件装配过程中，解决装配不协调的方法较多，由于没有较为成熟的技术手段，较为常用的是采用工艺补偿和强迫装配[11]。工艺补偿主要是对零部件尺寸进行补充调整或加工的一种方法，通过对预留余量的修、补来部分抵消装配时产生的误差，达到所要求的准确度；强迫装配是在不进行尺寸修整的情况下，使用外力强制地进行装配的一种方法。采用工艺补偿方法虽能达到较好的装配要求，但零部件补偿量的控制会浪费大量的时间；采用强迫装配方法会在装配连接处产生挤压应力，装配连接处通常是结构易引起疲劳的部位，在静载荷的作用下，不会使结构产生强度破坏，但在装配位置会提高连接部位的场应力，降低结构的连接强度和疲劳寿命[12]。据相关资料显示，65%-70%的设计更改是因不能准确预测产品的几何尺寸导致，大

曲线,材料应力,仿真模型,曲线

(c) 2099-T83 真实应力-应变关系图 3.2 仿真模型材料应力-应变曲线载荷设置模的运动状态随着时间而变，进行有限元模拟时需根据实步，分别确定每个分析步的载荷和边界条件。本文依据铆步：上铆模压紧被连接件，下铆模向上运动挤压铆钉，压铆力一个分析步，称为压铆分析步。该过程中约束上/下被连接及绕 Z 轴的转动自由度，上铆模进行全固定，下铆模仅允献[77]的正弦曲线加载方式，如式(3.1)所示。其中，maxs 为铆时间。 maxs s sin t下铆模达到指定位置后开始相背运动，并回到压铆前的初铆模与铆钉分离，铆钉由于不再受下铆模的约束产生一定

网格模型

1 上铆模下表面铆钉头上端面 0.202 上铆模下表面蒙皮上表面 0.203 蒙皮孔壁铆钉杆表面 0.154 蒙皮下表面长桁上表面 0.155 长桁孔壁铆钉杆表面 0.156 长桁下表面铆钉杆表面 0.157 下铆模上表面铆钉杆端面 0.20(5) 网格划分网格划分主要包括使用的网格划分技术(结构化网格划分技术、扫略网格划分技术、自划分技术以及自底向上网格划分技术)、设置网格边种子大小以及选择单元类型等内容。分是决定分析精度的重要环节。铆接分析是复杂的非线性接触问题，计算代价较大，并时塑性变形主要集中在铆钉以及被连接件孔周 2.5R(R 为钉孔半径)处[80]。基于此，为提精度，提高计算效率，对钉孔周围的部分进行区域划分，钉孔部分进行细化，远离钉孔增大网格尺寸。网格采用 8 节点六面体减缩积分单元 C3D8R，划分后的模型如图 3.3 所

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