装配仿真技术及其在飞机装配中的应用

郭永明

【摘  要】为提高飞机装配偏差分析的准确性，本文作者综合考虑零件制造偏差、工装夹具偏差和装配变形对装配偏差的影响，实现对装配偏差的准确预测，并在此基础上基于偏差源敏感度实现装配精度的优化。

【关键词】装配仿真技术;飞机装配;应用

前言

飞机装配是整个飞机制造过程的关键和核心，为保证飞机装配质量和性能，飞机装配对装配精度要求极高。飞机结构中包含大量形状复杂的柔性薄壁零件，如机翼、机身的蒙皮结构，在装配过程中，由于零件制造偏差、夹具定位偏差、装配变形及装配过程中随机误差的耦合作用，不可避免地产生装配偏差，造成装配精度超差，直接影响到后续部件及总装的装配质量，最终影响飞机的整体性能。

1飞机薄壁零件装配偏差仿真与优化

飞机装配偏差仿真与优化是在制定的初始装配协调工艺的基础上，进行装配偏差建模，并仿真求解，通过分析装配偏差结果和偏差源敏感度，对初始制定的装配协调工艺进行优化调整，从而达到减少生产风险、提高装配质量的目的。飞机薄壁零件装配偏差仿真与优化可视为飞机装配偏差分析的一种特例，考虑了飞机结构中薄壁零件装配变形对装配偏差的影响，使装配偏差分析结果更加准确。

1.1装配偏差分析目标与装配偏差模型输入信息的确定

装配偏差分析目标是指为满足性能要求、保证飞机装配准确度而需要进行控制的关键产品特性（KeyProductCharacteristics，KPC），如外形轮廓度、间隙、阶差等。为了测量方便，关键产品特性可转换为多个关键控制特性（KeyControlCharacteristics，KCC）。装配协调工艺内容包括装配偏差要求、零组件定位方案、装配顺序、零组件及工装夹具初始设计公差等。根据装配协调工艺可确定装配偏差分析目标与装配偏差模型输入信息。

1.2薄壁零件有限元分析

飞机薄壁零件装配偏差模型与零件及装配的刚度矩阵有关，通过有限元分析获取零件及装配体的刚度矩阵，为装配偏差模型构建提供基础。对零件及装配体的有限元分析通过有限元分析软件实现，将零件或装配体三维数模导入有限元分析软件，进行模型的前处理、求解和后处理。前处理包括对模型进行网格划分、设置材料属性、施加边界条件和载荷，然后提交求解器计算，在后处理器中查看结果，最终得到零件及装配体的刚度矩阵。其中，边界条件根据确定性定位条件确定，载荷位置根据过定位夹紧位置和铆接点位置确定。在材料属性、边界条件和载荷位置确定的情况下，刚度矩阵不变，因此载荷大小为单位载荷即可。

1.3装配偏差模型构建

零组件定位基准、定位方法和装配顺序影响偏差累积和传递的方向，零组件及工装夹具偏差为装配偏差的偏差源。根据所确定的装配偏差模型输入信息，按照飞机薄壁零件装配过程建立装配偏差模型，得到装配偏差与零件制造偏差、工装夹具偏差和装配变形之间的关系。通过装配偏差模型可准确预测装配偏差要求是否满足要求，并可得到各偏差源的敏感度，为进一步优化装配协调工艺提供依据。

1.4装配偏差模型仿真计算

装配偏差模型仿真计算是指基于装配偏差模型，在已知偏差源偏差的情况下，进行计算求解得到最终装配偏差值的过程。实际生产中，装配偏差源的偏差可能服从多种不同的分布，需要从公差带中选取符合公差域要求的偏差值。利用蒙特卡洛法可实现装配偏差模型的仿真计算。蒙特卡洛法是一种利用概率统计理论进行近似计算的方法。依据零组件偏差实际分布类型生成一组随机值，代入装配偏差模型计算得到一组装配偏差样本，对这组样本进行统计分析，得到均值、方差等统计参数，并拟合出装配偏差的近似分布。当样本数量足够多时，统计估计值收敛于真实值，可以增加样本量来提高装配偏差模型仿真计算的准确度。

1.5装配协调工艺优化

根据装配偏差分析结果，确定超差关键控制特性，基于装配偏差模型计算偏差源的敏感度，确定优化对象。优化对象可分为两类：一是零组件或工装的设计公差，二是零组件定位方案和装配顺序等装配工艺。当偏差源敏感度>>1，说明该偏差源的偏差值在偏差传递过程中被急剧放大，需要优化装配工艺，即对零组件定位基准、定位方法和装配顺序等进行调整优化，否则优化零组件或工装的设计公差。经过多次迭代优化，形成最终的装配协调工艺。

2轴承装配过程仿真

飞机上自润滑关节轴承装配过程包括压装、收口或翻边，压装时采用精密伺服压力机将轴承压入座孔，压装完成后利用工具压头压入V形槽部分，形成收口或翻边，装配过程注意保持轴承的轴线与轴承座孔的轴线对正。根据变形方式不同，固定方式分为轴承座向内收口和轴承外圈向外翻边两种方式。前者为压头向轴承座端面加压，轴承座的两端材料向内挤压，向内收口变形，压住轴承外圈;后者则是轴承外圈向外翻边，压住轴承座，达到固定效果。从互换性角度来看，后者优点突出。原因是更换轴承时只需要将轴承外圈的翻边部分切除即可，不必破坏轴承座。这对于体积较大、结构较为复杂且价格昂贵的的箱体件而言，带有多个座孔的轴承更换更方便经济。包括上下压头和定位芯棒，上下压头形状相同，内侧角25°，外侧角60°。压头设计有V形尖头，翻边时压入轴承外圈V形槽部位。利用有限元分析可分析零件形状、尺寸、材料特性、配合公差、压头形状及压入深度、翻边压力等多种因素对装配工艺的影响。

结束语

通过对装配后的轴承从轴承座脱出过程进行的仿真分析，估算装配后的轴承轴向承载能力，通过试验实测轴向脱出力变化曲线，验证了本文计算方法的合理性。为准确预测装配偏差并对其进行控制，从飞机薄壁零件装配工艺过程入手，提出了一种飞机薄壁零件装配偏差建模方法，基于确定性定位方法和影响系数法建立了装配偏差与零件制造偏差、工装夹具偏差和装配变形之间的关系，可准确预测装配偏差。

参考文献：

[1]范玉青，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京：航空工业出版社，2011.

[2]陈伟，李明慧，周瞳，等.基于数字化装配偏差建模的飞机舱段对接定位方案研究[J].机械设计与制造，2012（1）：245-247.

（作者單位：中航飞机股份有限公司）