曲面天线现场装配工艺优化关键技术研究

发布时间：2018-01-08 07:23

本文关键词：曲面天线现场装配工艺优化关键技术研究　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：现场装配尺寸精度控制是双弯曲反射面天线设计性能能否实现的关键问题。天线反射面由大量的金属薄壁件在卧式工装上铆接装配而成。在铆接后,天线反射面经过卧立转换保持立式工：作状态。铆接装配和卧立转换后的误差超差(即超出允许范围),往往导致反复的天线装配与坐标测量,甚至整个产品废弃。快速的工艺响应和装配成本控制,亟需一种快速、高精度的而向铆接工艺的尺寸误差算法,以提高数千铆钉连接的大尺寸天线薄壁部件的装配精度。本文针对国内外现有方法不足以完成天线部件装配误差超差故障的系统建模以及不足以建立零件定位误差、零件重力、局部铆接变形、卧立转换对全局误差定量关系的问题,综合运动学公式、静力学有限元法、动力学有限元法等数值、解析和逻辑代数方法,立足于曲面天线薄壁大件的现场装配工艺,提出了天线装配系统及故障分析建模的装配链路和逻辑代数方法、三维弹性装配尺寸误差算法、“局部-整体”铆接装配尺寸误差算法和天线装配工艺优化方法,揭示了误差源对全局误差的影响规律以及工艺优化方法性能,开发了装配尺寸精度计算与工艺优化软件。主要研究成果如下。1.根据天线零件空间分布特点和动静态故障分析的关键元素,分别提出了天线装配体的分解策略和系统故障分析的代数方法。统一了刚性、弹性尺寸偏移的表达式。根据天线零件装配顺序和空间分布,提出了装配序列和并行链路分解方法,实现了复杂装配体的快速分解。规定事件可组成逻辑体,并采用三元素变量数组表示。第-个元素为变量的布尔状态,第二个是当前布尔状态的持续时间,第三个是触发当前布尔状态的概率,采用布尔状态表示该变量数组取值。据此通过序列、同时、析取、与运算符,可将两变量逻辑体表示成一个时间或混合运算。这一运算的基本性质,包括优先运算、幂等、交换、结合、吸收和分配律。快速地建立并化简了天线装配等静、动态系统故障的代数表达式和失效概率表达式。算例验证了方法的简捷程度。2.采用运动学解析公式和静力学有限元法,提出了基于装配链路的三维弹性装配尺寸误差算法。首先规定零件间定位误差引起的刚性位移量和过定位变形、重力引起的结构变形满足线性叠加关系。然后采用有限元网格表示装配体；对不同零件的网格节点分组编号,以区分不同的零件；在每一个零件网格接触面附近,选择三个不共线的节点,用于设置零件间的定位误差。代入各接触面上的定位误差,采用“微小尺寸偏移近似为速度”的运动学解析公式,提出刚性位移计算方法,可用于修改装配链路中的当前接触面后面的零件网格节点坐标。采用静力学有限元法,计算过定位变形和重力变形,可用于修改相应的零件网格节点坐标。集成了刚性位移计算方法和有限元法,率先提出了三维弹性装配尺寸误差算法。并行装配体的仿真和试验结果,验证了方法的精度。3. 综合动力学、静力学有限元法和数值插值法,提出了“局部-整体”铆接装配尺寸误差算法。首先根据曲面天线铆接工艺参数,采用动力学有限元法和试验验证了铆钉孔周变形表征铆接工艺的合理性,提出了铆接固有应变库的概念和使用方法。采用静力学有限元模型来表示全局装配体,并记录装配体静力学有限元模型中各个铆钉孔及其节点。基于上述固有应变数据,采用数值插值法和一组迭代的有限元计算,提出了“局部-整体”尺寸误差算法,弥补了多铆钉铆接装配误差算法的空缺。集成了三维弹性装配尺寸误差算法和“局部-整体”铆接装配误差算法,建立起“铆接工艺参数、零件重力、零件间匹配间隙”这三类因素与全局尺寸误差的定量关系,并完成了并行装配体的试验和仿真。研究结果验证了方法的计算效率和精度。4.集成遗传、蚁群优化算法和所提误差算法,提出了天线装配工艺优化方法。首先分析了上千铆钉连接的天线装配体总体工艺和局部铆接工艺,基于铆钉分组方法和“局部-整体”铆接装配误差算法,以装配体上轮廓的关键点的位移均方根为目标,采用遗传算法和蚁群算法集成出同步优化和分步优化模式。1093个铆钉连接装配体的仿真分析,验证了分步优化的效率和可行性。结果表明：铆钉镦粗方向和装配顺序均是全局误差的主要影响因素；所提方法可以有效地优化数千铆钉连接装配体的具体工艺参数；高效率的仿真计算应优先优化铆钉镦粗方向。最终完成了48个铆钉连接装配体的工艺优化仿真和试验,结果验证了方法的优化效果。5.基于所提误差算法和工艺优化方法,以并行装配体、天线部件等装配体为对象,研究了定位误差、结构重力、铆接工艺和卧立转换约束对全局误差和工艺优化性能的作用规律。采用1093个铆钉连接装配体的工艺优化结果和常规装配工艺,完成了两组试验件的现场装配误差测量。两组试验件的误差均方根在铆接前后的改变量揭示出：优化后的工艺参数可更多的抵消定位误差所引起的均方根。同时从全文仿真试验结果中,发现了在定位误差、工艺参数、重力的作用下,均方根的叠加和抵消是普遍现象；重力和约束是天线卧立转换误差变化的主导因素；工工艺优化可选择天线的一种状态进行。最终分别提出了铆钉镦粗方向优化方法和装配顺序优化方法。通过工程应用验证了研究成果的可行性和有效性。同时开发了软件模块。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN820

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