飛機裝配型架骨架優(yōu)化布局方法研究與應用

李世達

摘 要 飛機裝配型架和骨架布局的優(yōu)化設計是非常繁雜和困難的過程，其與飛機其他的零件有著密不可分的關(guān)系，所以為了提高飛機裝配時的更加優(yōu)化和便利本文進行了深入的研究。首先要基于飛機裝配知識和產(chǎn)品設計知識進行研究，建立關(guān)于飛機裝配型架和骨架布局優(yōu)化的數(shù)學模型;同時，在最小二乘法的基礎(chǔ)上，進行飛機骨架布局的最優(yōu)化。并且通過了解不同裝置的特點，建立模型;最后通過CATIA系統(tǒng)進行模型的算法，為飛機骨架布局提供有效依據(jù)。那么，為了提高飛機裝配型架的效率和質(zhì)量，也為了骨架布局的速度的提升，本篇將分析飛機裝配型架過程中存在的問題，總結(jié)現(xiàn)今的研究方法，并分析現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞 飛機裝配型架 骨架布局 框架式

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）07-0039-02

飛機作為具有一具或多具發(fā)動機動力裝置而產(chǎn)生前進的推力和拉力，且由機身固定機翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的航空器。飛機成為生活和現(xiàn)代文明不可缺少的工具，改變著人民的生活習慣。所以對于飛機裝置的優(yōu)化布局非常重要。飛機外形復雜，零件裝置的組成繁雜數(shù)量極多，不僅裝配和安裝的時間長，裝配技術(shù)更是一項非常有技術(shù)難度的工作，這項裝配工作一直困擾著飛機制造業(yè)。下面將通過研究方法，達到能夠縮短裝配周期和裝配型架和骨架的優(yōu)化，并將這種方法應用，使得骨架布局速度加快，提高裝配型架骨架技術(shù)的質(zhì)量和效率。

1 飛機裝配型架骨架的技術(shù)發(fā)展進程

隨著科技的進步發(fā)展，飛機的研制進程也逐漸在加快，其研究過程中會大量地采用數(shù)字化的設計制造技術(shù)、復合材料成形等新興技術(shù)，不僅促進了飛機裝配技術(shù)的進步和變革，也使飛機裝配型架骨架的技術(shù)越來越成熟。下面將簡述具體的飛機裝配型架骨架的設計技術(shù)發(fā)展歷程。首先，飛機的工藝裝配方法由傳統(tǒng)走向新興，采用了全新的工作方法。傳統(tǒng)的互換協(xié)調(diào)體系是以模擬量傳遞飛機的尺寸和形狀，采用橫線樣板一標準樣件一工藝裝備的工作方法。但是現(xiàn)在被以數(shù)字量傳遞飛機尺寸和形狀的互換協(xié)調(diào)體系的全新工作方法取而代之。數(shù)字化的裝配工作方法使飛機的裝配質(zhì)量大大提高，也使裝配工程的速度加快。另外，因為飛機不是半硬殼式就是硬殼式，這樣總是大量的采用整體的結(jié)構(gòu)件，這種整體的結(jié)構(gòu)件尺寸大并且剛性強。所以，在飛機裝配中可以以骨架為定位的標準，大幅度地簡化飛機裝配型架，節(jié)省時間，提高了飛機的裝配的效率。也節(jié)省了大量的外形卡板，簡化了飛機生產(chǎn)工藝設備。[1]其次，采用計算機輔助光學儀器——激光跟蹤儀、電子全站儀，進行飛機的定位測量和飛機裝配工作，加快了裝置工程的制造過程。

2 飛機裝配型架骨架的結(jié)構(gòu)分類

關(guān)于飛機裝配型架的設計，總的來說就是根據(jù)裝配對象的具體結(jié)構(gòu)情況和裝配的準確度要求，能夠正確的選擇處裝配產(chǎn)品的定點位和定位方式還有定位件的形式和固定方式，能夠優(yōu)化型架骨架的結(jié)構(gòu)布局，總覽總體布局。目前，裝配型架骨架可以主要分為以下兩種。

2.1 整體平面框架式裝配型架

整體平面框架式裝配型架主要是用與尺寸較小的平面組合件，其骨架用料是槽鋼或鋼管焊接成的平面框架。[2]外形的定位件一般采用分散的布局，而為了裝配工作的勞動條件更好一點，面對一些尺寸較大的裝配型架，一般采用立式的固定結(jié)構(gòu)。

2.2 平板式裝配型架

平板式裝配型架多應用于尺寸不大的框、肋組合件的裝置。這種結(jié)構(gòu)型的裝配形式簡化了型架的安裝工作。另外裝配時也可以對照位置安裝配件，不容易出錯而且安裝快捷方便。

3 裝配型架的安裝過程及環(huán)節(jié)

型架的安裝過程是按照設計圖紙將制造好的骨架、定位件、夾緊件組裝在一起，并且調(diào)整規(guī)定的位置準確度。而型架的安裝是飛機裝配型架骨架中一個極其重要的環(huán)節(jié)。因為在飛機部件的裝配過程中，要有成形配套的裝配型架，也要確保各種裝配型架之間的協(xié)調(diào)性和適用性。又因為飛機制造裝配過程中使用的裝配型架數(shù)量大，生產(chǎn)的周期很長，所以安裝飛機裝配型架占飛機生產(chǎn)過程中非常大的比例。由此可以看出，飛機裝配型架骨架的技術(shù)難度非常大，是飛機制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

我國也樂此不疲經(jīng)常對飛機型架骨架的安裝技術(shù)進行深刻而廣泛的研究，而這些研究也主要集中在優(yōu)化骨架布局等方面。骨架是飛機裝配型架的基本，而原件空間的準確性和穩(wěn)定性都是需要骨架的優(yōu)化布局。同時飛機外形和其他元件位置的約束都是飛機骨架在設計過程中需要考慮的問題。[3]而現(xiàn)在中國的科學技術(shù)足以支撐飛機骨架布局設計，但是依舊對設計人員和設計工具有更高的要求，為保證飛機制造水平的提高，必須注重對飛機裝配型架的設計質(zhì)量和設計研制規(guī)范化和標準化。開發(fā)更多的設計功能，在飛機工裝設計的原理技術(shù)上，創(chuàng)新飛機的裝配設計布局。

4 現(xiàn)今存在的飛機裝配型架骨架優(yōu)化布局的方法

首先有元件造型的算法，開發(fā)出來柔性裝配工裝fixC AD系統(tǒng)的骨架設計功能，后為提高骨架設計的自動化程度，又有了在先前基礎(chǔ)上的新算法，這是來自北航研究團隊的飛機裝配型架算法;另外，有南航的設計團隊設計研究了關(guān)于骨架和線框元件的處理。這些現(xiàn)存的飛機裝配的設計方法會造成一些骨架返修乃至延誤制造周期的不良結(jié)果，會嚴重影響飛機裝配型架和骨架設計布局的效率，而且在定位件結(jié)構(gòu)復雜的前提下，會對骨架的結(jié)構(gòu)造成更多不便利的裝配設計問題。

對于骨架布局的研究方法非常稀少，僅僅只有一個通過布局約束而分級演進求解的布局算法，進而層層遞進獲得骨架布局的合理區(qū)域。但該算法也有缺陷，無法求出最優(yōu)解。這些都是現(xiàn)今已經(jīng)提出的飛機裝配型架骨架優(yōu)化布局的方法，但是并不盡善盡美，都要各自的優(yōu)缺點?，F(xiàn)今的裝配過程都過于依賴設計和安裝人員，并沒有充分利用高級科學技術(shù)手段，自動化的水平也有待提高。這告訴專業(yè)的設計人員，要學習新興的科技手段，提高飛機裝配的自動化率，不斷提出新的對于飛機裝配型架的研究方法，并早日應用于飛機制造中去。

通過上述對現(xiàn)今存在的飛機裝配型架和骨架設計布局方法的對闡述和總結(jié)，要吸取經(jīng)驗，綜合考慮裝置之間的關(guān)系和聯(lián)系，在傳統(tǒng)焊接型架和可重構(gòu)型架中尋找兩者都適用的設計方法。[4]北京航空航天大學在對飛機裝配型架骨架優(yōu)化布局的研究中，提出最小二乘法的算法，也能討論出不同的飛機裝配產(chǎn)品在不同定位下的最優(yōu)解，并且能夠用CATIA系統(tǒng)作為平臺，進行算法的模擬驗證，很有效地提高了飛機裝配型架骨架的質(zhì)量問題，同時也大大地提高了飛機制造的效率。

5 關(guān)于飛機裝配型架骨架的基本組成部分

5.1 關(guān)于主型架梁的定義

根據(jù)字面意思來看，主型架梁是作為骨架的主要安裝部分，絕大部分的定位加緊件會安裝于主型架梁上。由此可以看出主型架梁的重要地位，并能夠合理地綜合的考慮到布局設計，將骨架與其他原件的協(xié)調(diào)關(guān)系調(diào)節(jié)完善。

5.2 關(guān)于輔助型的架梁的定義

簡單來說，輔助性架梁的作用是起支撐的作用的梁子，主要是輔助性架梁的支撐強度和穩(wěn)定性可以幫助飛機裝配型架。其因為不作為主要架梁所以設計得多樣化，比較隨意。大部分裝配時會根據(jù)設計人員的經(jīng)驗和知識積累。

綜上所述，骨架也分為主型架梁和輔助性架梁，兩者缺一不可。并且，定位加緊件的安裝也需要設計師進行合理化的布局設計，要協(xié)調(diào)好骨架梁與其他元件的關(guān)系，使飛機裝配型架質(zhì)量更高，也是飛機制造效率加快，完成重要部分的裝配，飛機其他部分就會更快速高效的安裝適配。

6 飛機裝配型架和骨架布局設計的問題

現(xiàn)今的研究飛機裝配型架骨架優(yōu)化布局的方法非常眾多，但是現(xiàn)存的問題也是非常復雜和困難，一旦解決這些繁雜的關(guān)鍵問題，那么飛機裝配型架的效率也會大幅度提高。

首先，飛機型骨架的設計安裝需要綜合考慮各個元件的定位問題的協(xié)調(diào)一致性，當一個元件的位置出現(xiàn)輕微的變動那么骨架和其他所有的元件都要重新設計布局，非常耗費時間和人力物力。這是現(xiàn)今急需要解決的問題。[5]根據(jù)這種問題分析并研究解決的辦法，并應用于飛機裝配型架。

7 結(jié)語

本篇通過對飛機裝配型架的簡單論述和分析，對飛機骨架布局設計的方法和基本的定義進行總結(jié)，并分析現(xiàn)存的飛機裝配型架的問題。在問題的基礎(chǔ)上，我們得出有一種基于最小二乘法的算法，能夠得出飛機裝配型架骨架布局的最優(yōu)解。該算法能夠綜合性的考慮問題，也能夠協(xié)調(diào)飛機裝配型架的其他元件，能夠考慮元件在位置移動后的如何解決的問題。那么在科技興國的今天，飛機裝配型架骨架的自動化技術(shù)還是非常落后，如何提高飛機裝配型架骨架的自動化技術(shù)，而不是僅僅依賴于設計人員的經(jīng)驗和知識儲備，都是在飛機制造中需要考慮的問題，提高飛機裝配型架的效率與質(zhì)量，提高骨架布局的速度，都需要在今后繼續(xù)深化研究，并將成熟的設計廣泛地應用于飛機制造。

參考文獻：

[1] 魏曉東，安魯陵，閆寶強.飛機裝配型架內(nèi)型板快速設計方法[J].航空制造技術(shù)，2018，61（22）：54-61.

[2] 吳璇，張宏博，鄭聯(lián)語.飛機裝配型架骨架優(yōu)化布局方法研究與應用[J].航空制造技術(shù)，2018，61（18）：74-81.

[3] 劉建業(yè).飛機裝配型架典型結(jié)構(gòu)剛度快速計算系統(tǒng)開發(fā)[D].沈陽航空航天大學，2018.

[4] 李繼紅.飛機裝配型架模塊化設計相關(guān)技術(shù)分析[J].國防制造技術(shù)，2016（03）：32-34.

[5] 周婷，曹巍，鄭國磊，邱益.飛機裝配型架骨架的關(guān)聯(lián)設計原理及算法[J].航空制造技術(shù)，2014（08）：32-35，41.