飛機(jī)裝配工裝結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

◎許蘭濤

一、飛機(jī)裝配工裝的現(xiàn)狀

從當(dāng)前的工裝設(shè)計(jì)工作來看，在設(shè)計(jì)工作中普遍是根據(jù)以往的制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，由于飛機(jī)性能和型號(hào)的差異，在進(jìn)行裝配時(shí)對(duì)裝配工裝設(shè)備的要求也不同，進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到此種差異，對(duì)比分析各類飛機(jī)裝配工作的工藝需求，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)工裝設(shè)備，而由于所采用的設(shè)計(jì)方法存在較大的不足，難以滿足上述要求，致使我國的飛機(jī)裝配工裝的設(shè)計(jì)水平長期無法得到提升。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了多種技術(shù)，但受到多方面因素的影響，技術(shù)的作用不能被全面挖掘，導(dǎo)致工裝設(shè)計(jì)的水平受到一定的限制影響。就CAD技術(shù)的應(yīng)用來說，沒有發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)校核功能，僅對(duì)局部進(jìn)行校核，致使在工裝裝備應(yīng)用時(shí)，存在不能適應(yīng)的問題，需要對(duì)工裝裝配進(jìn)行反復(fù)調(diào)整方能投入使用。我國在飛機(jī)裝配工裝中的資金投入相對(duì)較大，但受到技術(shù)水平的影響，工裝質(zhì)量偏低，這將嚴(yán)重阻礙我國航空事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

二、飛機(jī)裝配工裝結(jié)構(gòu)分析

1.工況。

工況指的是，結(jié)構(gòu)自身的承載能力，主要包括荷載能力和邊界條件等。在飛機(jī)裝配的過程中，還會(huì)產(chǎn)生極限工況的情況，指的是工裝結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或者超出設(shè)計(jì)要求的工況。就工裝結(jié)構(gòu)的特性來說，其極限工況可分為自裝配過程中的工況和使用過程中的工況。飛機(jī)制造過程中涉及的零部件較多，工況相對(duì)復(fù)雜，其中某一環(huán)節(jié)操作失誤便會(huì)對(duì)整體裝配質(zhì)量產(chǎn)生影響。為此，需要結(jié)合飛機(jī)裝配的實(shí)際要求，對(duì)裝配工裝進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于其中易于產(chǎn)生裝配質(zhì)量問題的部位，例如骨架空間結(jié)構(gòu)、定位器、加工荷載等。此外，人工操作的環(huán)節(jié)也是飛機(jī)裝配的薄弱環(huán)節(jié)，這主要是由于人工操作時(shí)的失誤現(xiàn)象很難避免。

2.裝配工裝結(jié)構(gòu)簡化。

鑒于飛機(jī)裝配時(shí)所涉及的裝配環(huán)節(jié)較多，工藝極為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，在進(jìn)行裝配工裝設(shè)計(jì)時(shí)，建模操作的難度較大，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)全部結(jié)構(gòu)的建模操作必定會(huì)造成大量的成本投入，同時(shí)也會(huì)延長飛機(jī)制造的時(shí)間，對(duì)制造效率產(chǎn)生一定影響。因此，需要對(duì)裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，但同時(shí)應(yīng)注意做好模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)關(guān)系的處理工作，保障模型的力學(xué)特征與實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征相一致。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)中影響不大的細(xì)節(jié)進(jìn)行簡化處理，從而得出一個(gè)相對(duì)簡潔的模型。如，對(duì)于兩個(gè)作用相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行建模時(shí)，可將其中的受力較小，且作用不突出的構(gòu)件省略，對(duì)于受力較大的構(gòu)件進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)即可。

工裝結(jié)構(gòu)簡化建模，主要就是對(duì)工裝結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件的分布情況和受力情況進(jìn)行全面分析，并做好相關(guān)數(shù)據(jù)整理工作，在實(shí)際進(jìn)行建模的過程中，都要遵循力學(xué)性質(zhì)，在省略構(gòu)件時(shí)，一定不能對(duì)整個(gè)工裝結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)造成影響，保證整體的傳力方向與簡化建模之前一致，這種簡化模型方便對(duì)飛機(jī)裝配工裝結(jié)構(gòu)的有限元分析，計(jì)算結(jié)果和精度有所保證。

此外，結(jié)構(gòu)簡化工作還可根據(jù)工況以及制造環(huán)境的差異，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了保障結(jié)構(gòu)簡化的實(shí)效性，在進(jìn)行簡化之前，應(yīng)首先對(duì)飛機(jī)裝配中各類零部件以及工裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征進(jìn)行全面梳理，爭取確定好各個(gè)結(jié)構(gòu)在使用過程中的力學(xué)分布特點(diǎn)，確定裝配過程中，工裝結(jié)構(gòu)的受力主體，對(duì)于一些不必要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。

3.離散結(jié)構(gòu)。

在有限元模型建設(shè)中，離散模型的影響因素較多，其自身的質(zhì)量會(huì)對(duì)最終的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果產(chǎn)生直接影響。為此，在進(jìn)行離散模型建立時(shí)，需要做好以下幾點(diǎn)工作：

（1）單元類型的選取應(yīng)能代表結(jié)構(gòu)的幾何與承載特征；

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果的精度要求決定工裝構(gòu)件單元尺寸，且尺寸大小應(yīng)適應(yīng)應(yīng)力梯度的變化；

（3）約束、載荷的處理應(yīng)符合裝配工裝真實(shí)支承與受力情況。優(yōu)化設(shè)計(jì)

三、飛機(jī)裝配工裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

飛機(jī)裝配工裝優(yōu)化是在滿足結(jié)構(gòu)剛度要求下，實(shí)現(xiàn)工裝結(jié)構(gòu)型材規(guī)格的自動(dòng)選擇，達(dá)到結(jié)構(gòu)重量最輕，降低生產(chǎn)成本，縮短工裝研制周期的目的。飛機(jī)裝配工裝主要由骨架和定位夾緊件組成。骨架作為飛機(jī)裝配工裝的基體，是工裝剛度的決定因素，因此，工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的定義主要包括以下3個(gè)方面。

1.確定設(shè)計(jì)變量。

由于飛機(jī)產(chǎn)品制造中對(duì)于其自身的入架、出架和裝配提出了開敞性的要求，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可以在不對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化加以考慮，而是對(duì)骨架以及型材的截面形狀與尺寸進(jìn)行綜合分析。因進(jìn)行骨架截面設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循一定的型材標(biāo)準(zhǔn)，要求其尺寸有一定的規(guī)律性，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要從變量設(shè)計(jì)的角度入手，結(jié)合各個(gè)構(gòu)件尺寸間的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此之前，需要建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的型材庫，將各類規(guī)格的型材進(jìn)行標(biāo)號(hào)后，儲(chǔ)存在型材庫內(nèi)，各類標(biāo)號(hào)的型材尺寸存在一定的差異，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可直接在型材庫內(nèi)選擇不同規(guī)格的型材，并且對(duì)比分析各類型材的剛度和結(jié)構(gòu)性能，得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.重新定義設(shè)計(jì)約束。

在飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮自裝配和產(chǎn)品裝配2個(gè)工藝過程及其相應(yīng)的若干載荷工況，要求在各種狀態(tài)下工裝剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化過程中，通常將這類設(shè)計(jì)約束具體描述為定位點(diǎn)位移約束，即在2種工藝過程中相應(yīng)工況下，定位點(diǎn)最大位移應(yīng)不超過預(yù)設(shè)的上限值。

3.定義目標(biāo)函數(shù)。

在工裝的自裝配和產(chǎn)品裝配流程中，工裝骨架結(jié)構(gòu)可能有所不同，因此在優(yōu)化問題中實(shí)際可能存在多個(gè)設(shè)計(jì)模型，而飛機(jī)裝配工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在滿足所有模型、工況約束要求下尋求最終工裝整體重量最小的設(shè)計(jì)。綜上所述，飛機(jī)裝配工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題是一種復(fù)雜多模型、多工況、離散變量優(yōu)化問題。

結(jié)語：飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)是飛機(jī)制造過程中的重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)效果與飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展有著較大影響。為了保證飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)的合理性，則需要加強(qiáng)對(duì)工裝設(shè)計(jì)技術(shù)的重視，對(duì)飛機(jī)工裝結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立完善的結(jié)構(gòu)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在保證工裝結(jié)構(gòu)剛度的基礎(chǔ)上，縮短制造周期，提高裝配質(zhì)量，保證飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)的有效性。