【摘要】：飛機機體結構復雜、零部件眾多,其裝配過程工藝流程長、協(xié)調(diào)匹配工作量大,是飛機制造的主要環(huán)節(jié)。裝配過程的精度控制不僅影響到最終機體的氣動性能和結構安全,對生產(chǎn)效率也有重要影響。裝配精度分析是模擬裝配偏差傳遞、控制裝配精度范圍的基礎理論工具。目前,飛機機體的裝配精度分析仍以傳統(tǒng)基于運動學的剛性分析為主,僅能處理單一定位因素,適用范圍狹窄。機體零件大多為薄壁結構,剛性低,裝配約束關系復雜,裝配過程變形明顯,以靜力學為基礎的柔性裝配精度分析可以考慮更完整的產(chǎn)品與工藝因素,獲得更準確的分析結果。然而,現(xiàn)有柔性裝配精度分析方法針對復雜裝配過程建模繁瑣,忽略了與變形同時產(chǎn)生的裝配應力,且無法考慮結構剛度在裝配過程中的變化,難以完全滿足飛機機體柔性薄壁件裝配精度分析的需求。完全意義上的柔性裝配精度分析方法都是在結合一定的模型縮減技術基礎上發(fā)展起來的,以降低有限元方法和統(tǒng)計分析結合帶來的巨大計算量。作為一種典型的有限元模型縮減方法,子結構技術具有縮減靈活、信息完整和修正方便的特點,為克服當前柔性裝配精度分析方法中存在的不足提供了可能性。本文以子結構技術為基礎,針對機體薄壁件裝配過程,研究偏差傳遞的高效建模,及在偏差傳遞模型基礎上對裝配精度和裝配應力的協(xié)同分析,并進一步考慮由裝配殘余應力引起的結構剛度變化,研究子結構的更新及基于更新子結構的非線性分析算法,最終形成了適用于飛機機體薄壁件的柔性裝配精度分析新方法。本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新工作如下:(1)薄壁件裝配過程偏差傳遞的子結構建模針對機體薄壁件復雜裝配過程的偏差傳遞,結合子結構技術縮減靈活的特點,提出基于子結構的高效建模分析方法。首先,通過研究面向多工步裝配的子結構提取及面向重復性構件的子結構變換,形成了柔性零件的子結構縮減方法;然后,以零件子結構為基礎,通過裝配過程的單元工步分解,引入裝配附加邊界條件,研究了機體薄壁件典型裝配過程的偏差傳遞建模方法;最后,結合蒙特卡羅仿真對偏差傳遞模型進行統(tǒng)計精度分析。該方法在保持模型精度降低模型規(guī)模的前提下,大幅減少了偏差傳遞建模過程的有限元分析次數(shù),顯著提高了建模效率。(2)薄壁件裝配精度與裝配應力的協(xié)同分析針對機體薄壁件裝配高精度低應力的綜合控制要求,結合子結構技術信息完整的特點,提出裝配精度與裝配應力的協(xié)同分析方法。首先,通過研究子結構位移與應力場的輸出變換方法,將輸出變換矩陣引入零件子結構系統(tǒng),實現(xiàn)了基于裝配偏差恢復的裝配應力分析;進一步,研究了輸出變換矩陣在同規(guī)格零件間的變換重用,以及裝配應力的綜合評價方法;最后,將應力分析融入基于蒙特卡羅仿真的統(tǒng)計精度分析中,對裝配偏差與裝配應力協(xié)同進行統(tǒng)計分析。該方法在子結構偏差傳遞模型基礎上既分析了裝配精度又分析了裝配應力,擴展了分析范圍。(3)考慮薄壁件應力剛化效應的子結構更新針對機體薄壁件裝配過程中的應力剛化效應,結合子結構技術修正方便的優(yōu)勢,分析薄壁件由于裝配殘余應力存在而引起的結構剛度變化,并通過對子結構進行更新將剛度變化引入到柔性裝配精度分析中,提出基于子結構更新的非線性分析算法:通過紐曼展開技術降低子結構更新的計算量;采用分段線性策略求解非線性偏差傳遞模型;并引入低偏差序列代替?zhèn)坞S機數(shù)以提高蒙特卡羅仿真的收斂速度。該方法將剛度變化引入到子結構偏差傳遞模型中,提高了模型在非線性條件下的適用性。(4)機體薄壁件裝配實驗與仿真精度驗證在上述理論方法研究的基礎上設計、開展了兩組裝配實驗,以驗證方法的準確性。實驗分別在一組特征組件和一組機身側壁板組件上進行。從零件結構、工裝布局、裝配工藝和測量方法四個方面設計了實驗方案,并研究了測量數(shù)據(jù)的處理方法,最后通過仿真與實驗結果的對比分析對前文方法的仿真精度進行了驗證。特征組件裝配實驗從分析預測裝配偏差水平、分布和演變?nèi)齻�角度驗證了本文方法具有很高的準確性;側壁板組件裝配實驗表明,本文方法在復雜工程條件下的仿真精度能滿足工程要求。(5)工程應用在上述研究基礎上,圍繞信息讀取及預處理、裝配過程建模、蒙特卡羅仿真、子結構更新、結果后處理及輸出五個功能子模塊,開發(fā)了基于子結構的柔性裝配精度分析計算程序。將所開發(fā)程序應用于某機型后機身排氣管安裝等實際工程案例,從控制幾何精度和殘余應力綜合角度,從工藝、公差、結構多個方面對不同設計方案進行量化的分析、比較和優(yōu)選,為面向裝配質(zhì)量的飛機機體產(chǎn)品與工藝設計提供了有效的理論指導。本文的研究實現(xiàn)了對薄壁件裝配精度的高效全面準確分析,不僅適用于飛機機體,對其它薄壁結構機械產(chǎn)品的裝配精度分析也有指導意義。
【圖文】：

圖 1-2 某曲柄滑塊機構裝配矢量環(huán)（直接線性法）[27]Fig. 1-2 Vector loop model of crank slider mechanism (DLM)[27](a) (b)頂尖機構 (雅克比旋量法)：(a) 功能特征及局部坐標系；(b) 裝Centring pin mechanism (Jacobian-Torsor method): (a) functional flocal coordinate systems; (b) connection graph[30][33, 34]

(a) (b)圖 1-3 某頂尖機構 (雅克比旋量法)：(a) 功能特征及局部坐標系；(b) 裝配連接圖[30]Fig. 1-3 Centring pin mechanism (Jacobian-Torsor method): (a) functional features andlocal coordinate systems; (b) connection graph[30]（2）基于離散點式，代表性方法為確定性定位法[33, 34]。該方法針對一般三維工件的確定性定位，即空間 6 自由度受到完全約束的定位，如圖 1-4 所示，推導了工件定位偏差和定位點制造偏差之間的三維傳遞模型：10 R q J Φ R (1-1)其中，0 q 是工件定位后的位置和姿態(tài)偏差， R 是6 個定位點的制造偏差，而J 、RΦ 則是與定位點坐標和控制方向有關的傳遞矩陣。確定性定位法的問題在于，當定位特征是一個大的完整表面如大平面時，需要根據(jù)該特征所起的限位作用將其離散為一定數(shù)量的定位點，而這些定位點應該如何分布并無嚴格的規(guī)則可循。不過從另一個角度看，，這種離散對后續(xù)與同樣是基于離散點（有限元）的柔性裝配精度分析結合是有利的。需要說明的是，由于應變是位移的導數(shù)，變形分析本身就內(nèi)含運動學分析。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V262.4

【參考文獻】

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本文編號：2658008