无头铆钉干涉连接工艺研究及铆模结构优化

摘要

无头铆钉干涉连接能够实现沿钉杆全长的均匀变形，在板件厚度方向形成均匀的干涉配合，满足当代飞机对长服役寿命、高可靠性和高密封性的要求，已成为提高铆接质量，增强飞机装配连接结构抗疲劳性能的主要措施。但是我国的相关研究起步晚，缺乏理论和方法指导，对国外技术依赖性强，整体应用水平较低。随着我国大飞机设计与制造技术的飞速发展，全面深入地研究无头铆钉干涉连接技术，改善连接结构的铆接质量就变得尤为迫切。本文基于浙江大学自主研发的卧式双机联合自动钻铆机，借助理论分析、数值模拟、智能优化和试验验证等方式，建立压铆力理论模型和数值仿真模型，研究无头铆钉干涉连接中工艺参数和铆模结构对铆接质量的内在影响机理，以铆接干涉量及其分布均匀性最佳为研究目标，探寻合理的工艺参数范围和铆模结构形式。本文的研究成果将为保障我国飞机壁板高质量装配连接提供基础理论依据和技术支持。
　　本文首先阐述论文的研究背景和意义，详细分析无头铆钉干涉连接在飞机装配中的研究现状和应用水平，总结当前研究存在的不足，结合实际工程背景，提出论文的研究内容和总体框架。根据研究内容的不同，全文可分为压铆建模、参数分析和参数优化等部分。
　　压铆建模作为全文研究的基础，包含两部分内容:建立基于带锪窝孔连接结构的压铆力理论模型，揭示压铆力与铆接质量之间的映射关系;建立不同的有限元模型模拟铆接过程，对比不同模型尺寸、运行效率和分析精度之间的对应关系，为后续分析提供合适的有限元模型。
　　在参数分析过程中，本文综合考虑铆接过程中影响飞机壁板结构铆接质量的关键工艺参数，重点分析铆钉几何尺寸等结构参数，以及压铆力等过程参数对铆接质量的作用规律，为铆接工艺参数选择提供分析依据;研究表明应以铆接干涉量水平作为铆接质量的主要评判标准，在特定情况下铆钉镦头尺寸也可作为主要评判标准。
　　同时，本文重点分析了铆接过程中不同铆模结构形状对铆钉镦头产生的径向作用力;基于不同截面形状的铆模，研究铆模类型、铆模参数组合与铆接质量之间的关联关系，确定合适的铆模类型，以提高铆接质量，并通过试验验证分析的准确性;为提高建模与数据处理的自动化和智能化程度，对有限元分析软件进行二次开发，建立压铆过程参数化模型;研究进一步证明了将铆接干涉量水平作为铆接质量主要评判标准的必要性。
　　随后，本文在参数分析的基础上，提出铆模结构优化目标，引入机器学习算法对铆模结构参数进行优化:通过训练回归模型预测干涉量数据，编写遗传算法探寻合适的铆模结构参数，并将参数代入回归模型预测干涉量数据。研究表明，对于多因素耦合作用的优化问题，合理规划样本点在参数取值空间的分布能够得到更为理想的效果。为降低回归模型预测存在的不确定性，将机器学习算法与参数化模型结合并展开进一步优化:利用参数化模型代替回归模型，将遗传算法得到的铆模结构参数直接代入参数化模型计算干涉量数据。优化后铆接结构的整体干涉量水平在原有基础上大幅度提高了约49.31％，同时保证了干涉量的分布均匀性。试验研究验证了优化结果的准确性。
　　最后，总结了全文的研究工作，并对有待于进一步研究的内容进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 无头铆钉干涉连接技术研究现状

1．2．1 普通铆钉干涉连接技术研究现状

1．2．2 无头铆钉干涉连接技术研究现状

1．2．3 自动铆接设备研究现状

1．2．4 无头铆钉干涉连接研究成果应用

1．2．5 无头铆钉干涉连接研究现状小结

1．3．1 选题依据

1．3．2 研究内容

1．3．3 总体框架

第二章 无头铆钉压铆过程理论建模、数值模拟及其试验验证

2．1 引言

2．2 压铆过程最大压铆力建模

2．2．1 无头铆钉塑性变形过程分析

2．2．2 下镦头成型分析

2．2．3 上镦头成型分析

2．3 压铆过程有限元建模

2．3．1 二维有限元模型

2．3．2 三维有限元模型

2．4 模型准确性验证

2．4．1 压铆过程试验

2．4．2 铆接质量评定指标

2．4．3 理论模型准确性验证

2．4．4 数值模型准确性验证

2．5 残余应力分析

2．6 本章小结

第三章 无头铆钉压铆工艺参数对铆接质量的影响

3．1 引言

3．2 有限元模型

3．3 结构参数对铆接质量的影响

3．3．1 铆钉几何尺寸

3．3．2 钉孔直径

3．3．3 锪窝结构

3．3．4 板件厚度

3．4 过程参数对铆接质量的影响

3．4．1 压铆力

3．4．2 压脚夹紧力

3．4．3 铆模同步性

3．4．4 铆钉伸长量

3．5 总结

第四章 无头铆钉内外铆模结构设计

4．1 引言

4．2 压铆过程参数化模型构建

4．2．1 二次开发流程

4．2．2 模块化编程思想

4．2．3 参数化建模过程

4．3．1 铆接过程中铆钉材料流动分析

4．3．2 铆钉镦头受力分析

4．4 铆模类型对铆接质量的影响

4．4．1 铆模类型分析

4．4．2 铆模类型小结

4．5 铆模组合对铆接质量的影响

4．5．1 铆模组合设计

4．5．2 铆模组合分析

4．5．3 理想铆模组合

4．6 铆模结构设计准确性验证

4．6．1 试验过程

4．6．2 结果与讨论

4．7 本章小结

第五章 基于机器学习技术的铆模结构参数优化

5．1 引言

5．2 铆模结构参数优化方案

5．2．1 优化目标

5．2．2 机器学习简介

5．3 基于单变量分析数据的铆模结构优化

5．3．1 输入样本集构件

5．3．2 回归模型训练

5．3．3 遗传算法开发

5．3．4 优化结果分析

5．4 基于多变量分析数据的机器学习优化

5．4．1 输入样本集构件

5．4．2 回归模型预测

5．4．3 遗传算法改进

5．4．4 优化结果分析

5．5 铆模结构参数优化准确性验证

5．5．1 试验过程

5．5．2 结果与讨论

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简介