飞机薄壁零件装配偏差建模与仿真分析

飞机薄壁零件装配偏差建模与仿真分析

宋莹莹

山西 西安 中航西安飞机工业集团股份有限公司 710089

摘要 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。

关键词：飞机薄壁零件；确定性定位；影响系数法；蒙特卡洛法

中图分类号：U235文献标识码：A

1、飞机薄壁零件装配偏差源分析

薄壁零件是指由各种薄板及加强筋构成的轻量化结构，其外形直径与厚度比通常为50～200，壁厚较小，质量较轻。飞机结构中包含大量的薄壁零件，如机翼和机身壁板中的蒙皮、长桁等。

这些零件具有刚度小、尺寸大、壁厚薄等特点，在装配过程中，随着装配工艺过程的进行，零件自身制造偏差与夹紧力、铆接力等造成的装配变形耦合，造成装配精度变化，进而影响飞机装配质量。

为保证飞机装配质量，需要找出影响飞机装配精度的影响因素，即装配偏差源，对偏差源进行分析和优化，使装配偏差满足要求。飞机薄壁零件装配偏差源主要有3类：零组件偏差、工装夹具偏差、装配工艺。

（1）零件偏差

在零件制造过程中，受加工方法、制造设备精度和材料内应力等因素的影响，使零件产生初始制造偏差。同时，由于零件中存在大量刚度较小的薄壁零件，在装配过程中受自身重力、连接力等作用产生变形，与初始制造偏差耦合，沿着偏差传递路径传递形成最终装配偏差。

（2）工装夹具偏差

在飞机装配中，零组件通过工装夹具保证外形、位置等的准确性，工装夹具起着至关重要的作用。工装夹具除在制造过程中产生的偏差外，在安装调试时会受到测量设备的精度、自身重力等因素的影响，产生定位偏差，影响最终装配精度。

3. 装配工艺

装配工艺包括零组件定位方案、装配顺序、连接工艺等，装配工艺的好坏决定着装配精度的高低。定位方案和装配顺序决定了偏差累积传递方向，铆接等连接工艺使零件产生变形，造成装配精度变化。

2、面向飞机薄壁零件装配过程的偏差建模

2.1飞机薄壁零件装配过程分析

飞机结构中包含大量薄壁零件，目前飞机薄壁零件装配工艺过程主要包括定位、夹紧、连接和释放回弹4个阶段。在制造偏差、夹紧力、连接力等因素的影响下，飞机薄壁零件在装配过程中产生装配偏差，装配偏差随着装配工艺过程不断传递累积，最终影响飞机装配精度。

2.2基于飞机薄壁零件装配过程的装配偏差模型构建

通过上述对飞机薄壁零件装配过程的分析可知，初始零件偏差经过确定性定位、过定位夹紧、铆接连接、铆枪释放、过定位夹具释放累积形成最终的装配偏差。

基于以上分析，装配偏差由零件制造误差、工装夹具偏差和装配变形累积而成，得到装配后零件i的关键控制特性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，即装配偏差模型为

式中： 为装配后零件i的关键控制特性偏差， V为零件i的初始关键控制特性偏差； 、 分别为零件i上确定性定位点的敏感度系数矩阵和确定性定位点偏差； 、 分别为零件i上过定位夹紧点的敏感度系数矩阵和过定位夹紧点偏差； 、 分别为零件i上铆接点的敏感度系数矩阵和铆接点偏差；

、 分别为用于确定性定位零件i的夹具的敏感度系数矩阵和夹具偏差； 、 分别为用于过定位夹紧零件i的夹具的敏感度系数矩阵和夹具偏差。

3、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。飞机薄壁零件装配偏差仿真与优化过程主要包括5个阶段：装配偏差分析目标与装配偏差模型输入信息的确定、薄壁零件有限元分析、装配偏差模型构建、装配偏差模型仿真计算、装配协调工艺优化。

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。

（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。

（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。

（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。

结语

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。

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