飞机装配间隙协调及数字化加垫补偿技术研究

摘要

受飞机零部件制造误差、装配变形等因素影响，飞机装配接合面之间容易产生装配间隙，加垫补偿是有效消除间隙、提高飞机结构强度和疲劳寿命的工艺措施。在飞机装配中，对于如何有效控制装配间隙、科学恰当地进行加垫补偿，尚缺乏相关理论和方法的支持，难以在数字化装配体系中促进间隙控制、加垫设计自动化。本文针对飞机结构装配间隙展开研究，对飞机装配间隙协调控制方法、加垫方案设计及力学分析、垫片数字化设计软件进行系统研究。主要研究内容如下:
　　介绍了国内外飞机数字化装配技术的发展现状，论述了加垫补偿技术研究背景和应用概况，阐述了装配间隙协调、数字化加垫补偿以及补偿效果分析的主要内容和研究意义，给出了本文的总体框架和组织结构。
　　提出了基于飞机组件位姿协调的间隙控制方法，利用分步对齐策略将组件初始对齐，再通过微调组件位姿控制间隙分布。给出了位姿微变换数学定义，推导出由组件位姿微调所引起的间隙增量表达式。以装配对象位姿为变量，以装配间隙之和最小为目标，以预设间隙容差为约束，建立了接合面多个区域间隙优化模型，以SVD分解法和PHR优化算法对模型进行求解，所得最优化位姿用来指导组件协调定位，实现装配间隙的主动分配。
　　针对飞机装配间隙的非均匀特性，提出一种垫片参数数字化设计和有限元选优方法。基于扫描测量数据和装配间隙计算结果，利用种子点和区域增长算法，分割局部间隙区域点云，利用点云切片方法提取点云截面线。以截面线为间隙轮廓，以制孔边距、垫片规格、间隙大小为约束，提出垫片参数设计算法。利用Delaunay三角化法将局部点云反求为组件接合面并建立加垫结构几何模型，采用Johnson-Cook和Traction-Separation材料模型对各加垫结构进行有限元拉伸模拟，全面地分析不同加垫方案下结构的应力应变、初始刚度、承载能力及损伤形态，提出加垫方案优选依据，为装配间隙补偿提供技术支撑。
　　为了更全面地分析加垫方式对连接结构力学性能的影响规律，设计制作了加垫螺接铝合金实验件，进行了有限次循环拉伸实验和破坏实验，通过对比拉伸应变、二次弯曲、结构刚度及破坏形态，验证有限元模型的正确性。以有限元仿真为主要分析方法，以0.2mm，0.6mm，1.0mm，1.4mm装配间隙为典型示例，分析了不加垫、加液态垫、加固态垫以及加固/液混合垫对连接结构应力应变、位移变形和承载性能的影响规律，并对垫片自身的应力集中、位移分布等展开对比分析，阐述了不同厚度/材质垫片对结构性能造成影响的原因，为飞机装配加垫补偿工艺改进提供参考。
　　介绍了扫描测量系统的组成、精度以及数据传递路线，从工艺集成管理角度分析了垫片数字化设计软件实际需求。充分利用飞机理论数模信息，将加垫补偿工艺相关信息组合为结构化工艺模板，存储至装配数据库。将扫描数据与工艺模板信息相结合，实现了间隙超差判定、间隙可视化、加垫方案设计及数据关系结构设计等方法。采用面向对象的软件设计思想，开发实现了垫片数字化设计软件系统，提高加垫工艺数据分析处理能力和飞机装配自动化程度。
　　最后，总结了论文的主要研究内容和创新点，并对有待进一步研究的内容进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

本文使用的主要符号

附图

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 飞机数字化装配技术发展现状

1．2．1 数字化测量技术

1．2．2 数字量协调技术

1．2．3 柔性化定位技术

1．2．4 自动化制孔及钻铆技术

1．2．5 数字化加垫技术

1．3 飞机装配间隙协调及加垫补偿研究现状

1．3．1 飞机数字化装配间隙控制技术框架

1．3．2 装配间隙协调优化

1．3．3 装配间隙加垫补偿

1．3．4 加垫补偿效果分析

1．4 论文的选题背景、研究内容、意义和总体框架

第2章 基于位姿协调的装配间隙控制方法

2．1 引言

2．2 机翼数字化装配

2．3 组件位姿微交换表达

2．4 初始位姿评估

2．5 装配间隙计算与协调

2．5．1 装配间隙定义

2．5．2 位姿交换后的装配间隙

2．5．3 基于位姿协调的间隙再分配

2．6 最优位姿评价方法

2．6．1 目标函数

2．6．2 模型优化求解

2．7 应用实例

2．7．1 仿真算例

2．7．2 工程实例

2．8 本章小结

第3章 非均匀间隙加垫方案设计及优选

3．1 引言

3．2 非均匀装配间隙

3．3 垫片及约束定义

3．3．1 垫片参数

3．3．2 工程约束

3．4 垫片参数设计

3．4．1 区域分割

3．4．2 截面线提取

3．4．3 参数设计

3．5 组件几何模型重构

3．6 有限元模型构建

3．6．1 网格划分和边界条件

3．6．2 材料模型和材料属性

3．6．3 接触关系和分析步

3．7 应用实例

3．7．1 加垫方案设计

3．7．2 结果分析比较

3．8 本章小结

第4章 加垫方式及其参数对结构力学性能影响分析

4．1 引言

4．2 加垫结构拉伸实验

4．2．1 实验件的设计

4．2．2 实验件的制备

4．2．3 实验系统搭建

4．3 加垫结构拉伸过程有限元模拟

4．3．1 有限元建模

4．3．2 拉伸应交对比分析

4．3．3 破坏状态对比分析

4．4 不同加垫方式对连接结构补偿效果分析

4．4．1 不加垫状态分析

4．4．2 加液态垫片状态分析

4．4．3 加固态垫片状态分析

4．4．4 加混合垫片状态分析

4．4．5 不同加垫方式影响规律总结

4．5 垫片对连接结构疲劳性能影响分析

4．5．1 疲劳性能分析方法

4．5．2 连接结构疲劳性能分析

4．5．3 疲劳性能影响规律总结

4．6 本章小结

第5章 基于工艺模板的垫片数字化设计软件

5．1 引言

5．2 垫片设计软件需求分析

5．3 工艺模板定义及软件核心功能

5．3．1 工艺模板

5．3．2 间隙超差判定

5．3．3 数据可视化

5．3．4 垫片数字化设计

5．3．5 数据结构设计

5．4 软件系统设计

5．5 工程实例

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果