飞机部件数字化调姿过程建模与仿真关键技术研究

摘要

飞机装配是飞机制造过程中最重要、最复杂的环节之一，直接决定飞机产品的最终性能和质量。飞机部件或组件的空间定位问题是飞机装配中的共性关键问题，定位精度将直接影响飞机产品的气动外形、疲劳寿命与可靠性等。为了能够提高飞机部件姿态调整的质量与效率，目前先进的调姿技术正朝着数字化、自动化、柔性化的方向发展。本文以数字化调姿系统为研究对象，该调姿系统由飞机部件与三坐标数控定位器组成，对其逆运动学、工作空间、柔性多体动力学建模与仿真、含非理想运动关节调姿过程仿真与球头—球窝磨损建模等问题进行了深入的研究。主要研究内容包括:
　　介绍了飞机装配技术的发展历史、应用背景与意义。比较详细地描述了建模与仿真技术的发展、现状及其在飞机装配中的应用。
　　阐述了数字化调姿系统的调姿原理以及调姿系统的结构，分析了多种调姿系统结构类型的优缺点。提出了基于调姿机构逆运动学分析的轨迹规划方法，采用调姿机构正运动学法与网格搜索法分析了调姿机构的工作空间。描述了数字化调姿系统的硬件和软件集成方法。
　　构建了调姿系统的柔性多体动力学模型。根据调姿机构自身特点将三坐标定位器的支撑杆视为柔性体，综合运用拉格朗日方程、虚功原理与拉格朗日乘子法建立调姿机构的柔性多体动力学模型，经数值求解得到调姿过程中飞机部件和定位器的受力情况。
　　建立了两种典型非理想球铰关节的运动学与动力学模型。首先，分别基于Hertz接触理论与体积接触模型构建了含半球形球窝与含球带形球窝的球铰关节法向接触力模型;然后，结合改进的Coulomb摩擦力模型建立了球头与球窝关节的动力学模型;最后，建立了两种含非理想运动关节的调姿机构动力学模型，并使用多种运动路径对其进行仿真计算，分析了配合间隙、摩擦力、运动路径与球铰关节结构对调姿机构动态性能的影响，为结构设计与运动路径规划打下基础。
　　构建了两种球铰关节的磨损计算模型。根据之前已经构建的非理想运动关节动力学模型计算出调姿过程中各个球头与球窝的接触力、接触点位置等信息;然后，结合Archard方程建立球头与球窝的磨损模型，为了能够获得接触表面的磨损分布情况，将磨损表面离散，分别借助Hertz接触理论与体积接触模型计算接触力的分布，并以离散后的单张曲面为单元分别计算与保存其磨损量;最后，针对四定位器的调姿机构，对其调姿过程进行仿真计算。该模型能够用于调姿机构的寿命预测，为调姿机构设计提供参考。
　　总结了全文的研究内容，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

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 飞机数字化装配若干关键技术

1．2．1 数字化定位技术

1．2．2 非接触式空间测量技术

1．2．3 自动钻铆技术

1．2．4 工业机器人辅助装配技术

1．3 飞机数字化装配建模与仿真技术现状

1．3．1 多体系统仿真(Multi-body simulation，MBS)技术

1．3．2 装配设备磨损状态建模与仿真技术

1．4 论文选题背景与体系结构

1．4．1 选题背景

1．4．2 论文结构

1．5 本章小结

第二章 数字化调姿系统的设计与集成

2．1 引言

2．2 调姿原理

2．3 数字化调姿系统结构

2．3．1 数控定位器的结构

2．3．2 数字化调姿系统结构类型

2．4 数字化调姿系统集成与调姿流程

2．4．1 数字化调姿系统集成

2．4．2 调姿流程

2．5 调姿机构逆运动学分析

2．5．1 位置与姿态的描述

2．5．2 坐标变换

2．5．3 姿态描述

2．5．4 调姿机构逆运动学求解

2．6 调姿机构工作空间分析

2．7 本章小结

第三章 飞机大部件调姿机构柔性多体动力学仿真

3．1 引言

3．2 柔性多体系统动力学基础

3．2．1 变形体中间参考坐标系

3．2．2 柔性多体动力学约束建模方法

3．3 调姿机构多体动力学分析

3．3．1 调姿过程仿真数据的自动获取与预处理

3．3．2 调姿机构动力学模型建立

3．4 仿真算例

3．4．1 轨迹规划

3．4．2 理想状态仿真算例

3．4．3 运动不同步仿真算例

3．4．4 仿真应用分析

3．5 本章小结

第四章 含非理想运动关节的调姿过程建模与仿真

4．1 引言

4．2 非理想球铰关节运动学与动力学建模

4．2．1 非理想球铰关节结构

4．2．2 含半球形球窝球铰关节的运动学模型

4．2．3 含半球形球窝球铰关节的法向接触力模型

4．2．4 含半球形球窝球铰关节的切向摩擦力模型

4．2．5 含球带形球窝球铰关节的接触力模型

4．3 调姿机构动力学模型

4．4 仿真算例

4．4．1 含半球形球窝球铰关节模型调姿仿真算例

4．4．2 合球带形球窝球铰关节模型调姿仿真算例

4．5 本章小结

第五章 调姿机构磨损预测模型的构建与仿真

5．1 引言

5．2 非理想球铰关节的磨损模型

5．2．1 磨损相关理论与Archard方程

5．2．2 磨损模型的构建

5．2．3 磨损计算步骤

5．3 非理想球铰关节的磨损量计算仿真实例

5．3．1 含半球形球窝球铰关节仿真算例

5．3．2 含球带形球窝球铰关节仿真算例

5．4 试验分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表(撰写)的论文及参加的课题