管路裝配路徑優(yōu)化及有限元仿真分析

摘要：作為輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，管路結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)以及推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)。然而，管路裝配同樣存在裝配合理性的問題，為此，首先采用有限元方法仿真了管路裝配過程中的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明，針對不同裝配路徑，裝配應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域有所不同，這也體現(xiàn)了管路裝配路徑優(yōu)化的必要性。最后，根據(jù)有限元仿真結(jié)果插值得到了應(yīng)力的三維立體分布，并針對彎管固支端及拐點(diǎn)處的應(yīng)力情況優(yōu)化了裝配路徑。

關(guān)鍵詞：管路裝配 裝配工藝 路徑優(yōu)化 有限元仿真

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2015）07（c）-0000-00

Optimization of pipe assembly path planning based on finite element simulation analysis

WANG Junli1，F(xiàn)ENG Jing1，ZHANG Shuo2

（1Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，100190，Beijing，CHN； 2Dalian Songliao Ship Factory， Dalian，116000，CHN）

Abstract： As one of the particular features in transfer system， pipe is widely used in aero-engine and satellite propulsion system areas. In order to solve the difficult problem of assembly path planning of pipe， the stress distribution is simulated by finite element analysis. The results show that the maximal stress area appeared in different place with different assembly process. This directly shows the importance of the research on optimization of pipe assembly path. The three-dimensional distribution of the stress has been calculated with interpolating based on the simulated results. Finally， the assembly path is optimized by gradient searching search strategy.

Keywords： Pipe assembly technology； Assembly path plan； Path optimization； Finite element simulation

裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，同時也是制約產(chǎn)品質(zhì)量和批量生產(chǎn)能力提升的薄弱環(huán)節(jié)[1]。不合理的裝配過程將直接導(dǎo)致裝配應(yīng)力的產(chǎn)生，影響到裝配工藝、裝配精度和產(chǎn)品的使用壽命。

管路結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于航空、航天、船舶和汽車工業(yè)中，而彎管是核心組成部分之一[2]。由于管路的形式、管徑、長度參數(shù)不一，其裝配過程較為復(fù)雜，且可能存在大位移強(qiáng)制裝配過程。張根保等人研究了加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，指出當(dāng)管路裝配不當(dāng)時，可能引起液壓系統(tǒng)的管路接頭外泄和自制夾緊缸的內(nèi)泄[3]。同樣，在風(fēng)力機(jī)械中管路裝配可能引發(fā)設(shè)備漏油，使系統(tǒng)壓力下降、執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度不穩(wěn)定、系統(tǒng)效率降低、油溫升高、引起控制失靈、導(dǎo)致元件損壞等后果[4]。針對這一問題，劉檢華等人提出無應(yīng)力裝配的概念，采用虛擬技術(shù)，從過程和物理特性的角度實(shí)時地模擬裝配現(xiàn)場和裝配過程中可能出現(xiàn)的各種問題和現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的科學(xué)裝配和裝配質(zhì)量預(yù)測提供了有效途徑，可以大幅度減少裝配應(yīng)力[1]。劉密等人針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)條件下的零部件裝配路徑自動求解困難的問題，提出基于障礙和貪心規(guī)則的快速擴(kuò)展隨機(jī)樹算法，并對求解得到的初始裝配路徑，提出運(yùn)用分段線性擬合的方法進(jìn)行路徑自動優(yōu)化[5]。

針對彎管的裝配過程，對裝配過程中彎管受力及應(yīng)力分布情況做了有限元分析，并以此為依據(jù)對管路不同的裝配工藝進(jìn)行了研究。最后，通過有限元結(jié)果，利用插值細(xì)分網(wǎng)格提取了裝配過程中的應(yīng)力分布情況，并優(yōu)化了裝配路徑。

1 管路模型

管路模型如圖1所示，該結(jié)構(gòu)為直角彎管，水平段（AO）長度為1100mm，垂直段（BO）長度為300mm，彎曲半徑R為100mm。其裝配過程為：將A端固定，在XY平面內(nèi)，B端沿XY方向分別拉伸5mm至B’點(diǎn)，固定B端。在B點(diǎn)（0，0）到B’點(diǎn)（2，5）的裝配過程中，可以有多種路徑選擇，也同樣引起管路應(yīng)力分布的變化，針對管路不同區(qū)域的應(yīng)力要求需要優(yōu)化裝配路徑。

圖1 管路模型

為使B端運(yùn)動至B’位置，需要施加載荷形式及彎矩，可以根據(jù)虛功原理計(jì)算出梁的位移和轉(zhuǎn)角[6]。同樣可以求出在不同組合載荷下的變形，從受力狀態(tài)分析，梁所受的應(yīng)力為彎曲和軸向載荷的組合，在梁的變形過程中，由于管路較為細(xì)長，彎曲撓度會引起軸向力作用線的變化，致使軸向力產(chǎn)生附加彎矩，故在形變過程中軸向效應(yīng)及彎曲效應(yīng)之間存在耦合作用。

2有限元仿真結(jié)果

采用有限元仿真軟件分析了B點(diǎn)產(chǎn)生位移后的應(yīng)力分布，有限元分析過程中A點(diǎn)固支，B端施加位移載荷。圖2為B沿X及Y分別運(yùn)動5mm（B’位置）后的應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彎角位置，其值為133MPa，應(yīng)力由拐角向X及Y負(fù)方向逐漸減小。水平段應(yīng)力分布較為均勻，沿中性層至截面邊緣逐漸增加，也符合材料力學(xué)理論。

圖3為B點(diǎn)X方向移動1mm，Y方向移動4mm后的應(yīng)力分布情況，可以明顯看出，雖然拐角處的應(yīng)力較大（最大為71.1MPa），但結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在固支端（A端），為88.5MPa，水平段中間靠近拐角位置的應(yīng)力最小。固支端應(yīng)力集中的原因在于，當(dāng)Y方向位移遠(yuǎn)大于X方向位移時，固支端受較大彎矩及軸拉的綜合作用，而拐角處的彎矩不大。

對比圖2及圖3，B端處于不同位置時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布存在很大變化，而且最大應(yīng)力出現(xiàn)位置不一。當(dāng)管路A端材料許用應(yīng)力較高時，需要針對拐角的應(yīng)力對B端運(yùn)動路徑優(yōu)化，反之，當(dāng)A端材料許用應(yīng)力較小時，需要針對A端優(yōu)化B段路徑。

在B點(diǎn)向B’點(diǎn)的移動過程中，固支端的應(yīng)力及裝配路徑優(yōu)化如圖4所示。首先將應(yīng)力的空間分布沿y軸作投影，選擇每條應(yīng)力曲線的最小值作為路徑通過點(diǎn)。然后，將應(yīng)力點(diǎn)向空間映射，得到應(yīng)力的空間優(yōu)化路徑。

可以明顯看出，在終點(diǎn)位置（x=5mm，y=5mm）時，固支端的應(yīng)力僅為33.6MPa，而部分區(qū)域應(yīng)力均大于這一值，如在位置x=0mm，y=5mm時固支端位置應(yīng)力最大到138MPa，這也充分證明此裝配過程路徑優(yōu)化的必要性。從分布趨勢來看，應(yīng)力沿直線BB’向兩側(cè)增加，但沿y方向增加較為迅速。

圖4 固支端應(yīng)力分布及裝配路徑優(yōu)化

圖5 為拐點(diǎn)應(yīng)力分布及裝配路徑優(yōu)化，其分布趨勢與固支端較為一致，沿直線BB’向兩側(cè)逐漸增加，最大應(yīng)力出現(xiàn)在（x=5mm，y=0mm）處為235MPa，該值遠(yuǎn)大于133MPa。此數(shù)據(jù)表明，當(dāng)拐角處許用應(yīng)力為133MPa時，合理的路徑可以完成裝配，而不合理的裝配將破壞結(jié)構(gòu)使裝配失敗。與固支端不同的是，沿谷帶右下側(cè)應(yīng)力較大，也說明對應(yīng)不用部位的應(yīng)力分布區(qū)別較大，需要具體部位具體分析。沿直線（x=2.5mm，y=0mm）到（x=5mm，y=5mm）應(yīng)力相近，此直線左上側(cè)應(yīng)力較小，是裝配路徑選擇區(qū)域。

圖5 拐點(diǎn)應(yīng)力及裝配路徑優(yōu)化

3結(jié) 論

對彎管結(jié)構(gòu)的裝配過程進(jìn)行了分析，首先從有限元分析的結(jié)論得到彎管對應(yīng)不同裝配位置最大應(yīng)力分布有所不同，得出需要針對不同位置進(jìn)行應(yīng)力優(yōu)化。研究了拐點(diǎn)及固支點(diǎn)的應(yīng)力分布，不同位置時二者均有可能出現(xiàn)最大應(yīng)力，在位置x=0mm，y=5mm時固支端位置應(yīng)力最大到138MPa，拐點(diǎn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在（x=5mm，y=0mm）處，其應(yīng)力值為235MPa，這也充分證明此裝配過程路徑優(yōu)化的必要性。最后，根據(jù)應(yīng)力分布優(yōu)化了不同位置的最優(yōu)裝配路徑，使裝配過程中應(yīng)力小于指定位置的許用應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] 寧汝新， 劉檢華， 唐承統(tǒng)， 等. 虛擬裝配技術(shù)及其應(yīng)用[J]， 國防制造技術(shù)， 2009，4（2）： 22-29

[2] 張?zhí)欤?唐承統(tǒng)， 劉檢華. 基于多目視覺的彎管空間參數(shù)測量方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2013， 34（2）： 260-267.

[3] 張根保，許智，何文輝，等. 加工中心數(shù)控轉(zhuǎn)臺可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法研究[J].中國機(jī)械工程， 2011，22（8）：948-951.

[4] 張瑞剛，龔帥，趙勇，等. 風(fēng)力機(jī)漏油原因分析及控制措施[J].電網(wǎng)與清潔能源， 2013， 29（2）：67-70.

[5] 劉密， 劉檢華， 何永熹， 等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)條件下的裝配路徑求解與優(yōu)化技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2013， 49（9）：97-105

[6] 李肇飛. 材料力學(xué)[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2004.