基于模塊服役狀態(tài)的盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性評估方法

張宏博，鄭聯(lián)語，王藝瑋

北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100083

航空制造業(yè)中，飛機裝配是整個飛機制造過程的核心，其工作量占總工作量的50%～60%。裝配型架作為一種重要的生產(chǎn)工藝裝備，在保證飛機裝配質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、減輕工人勞動強度等方面具有重要作用。尤其在保證飛機產(chǎn)品質(zhì)量方面，裝配型架的穩(wěn)定性是影響飛機部件幾何尺寸、互換協(xié)調(diào)及氣動外形等重要因素之一。

目前，國內(nèi)外航空工業(yè)界及學(xué)術(shù)界對飛機裝配型架的穩(wěn)定性尚未有統(tǒng)一定義。楊亞文和李策[1]認為型架的穩(wěn)定性是指在型架上安裝的各類產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。該定義是從飛機產(chǎn)品裝配質(zhì)量層面表征型架的穩(wěn)定性，其評估方法所得結(jié)果具有滯后性，不能真實反映型架當前的服役狀態(tài)，易造成產(chǎn)品裝配的不合格。Martin等[2]認為型架的穩(wěn)定性是指其在長期服役階段保持自身精度的能力，該能力可通過對型架服役狀態(tài)長期、定時的監(jiān)測進行評估，即目前航空工業(yè)中采用的定檢評估方法。但是該定檢過程費時、費力且某一時刻的服役狀態(tài)指標并不能準確的反映型架長期服役的能力。因此該方法可能導(dǎo)致出現(xiàn)兩種情況：① 定檢過剩，即裝配型架滿足作業(yè)要求時定檢；② 定檢不足，即裝配型架不滿足作業(yè)要求時未定檢。前者雖然保證了裝配任務(wù)對象的質(zhì)量，但頻繁的定檢導(dǎo)致生產(chǎn)制造成本提高；后者不僅造成了昂貴的產(chǎn)品返修成本，而且也滯后了工作進度。

近年來由于傳統(tǒng)焊接裝配型架在面對飛機機型多樣且樣機制造階段頻繁改型的情況時，所暴露出諸如生產(chǎn)準備周期長、制造成本高以及型架存放占用空間大等問題制約了航空制造業(yè)的發(fā)展[3]。盒式連接可重構(gòu)裝配型架作為一種新穎的可重構(gòu)工裝具有重用性、集成性、轉(zhuǎn)換性和模塊性等特征，為解決傳統(tǒng)焊接型架所造成的困境提供了有效途徑[4]，但其穩(wěn)定性相對傳統(tǒng)焊接型架存在不足，傳統(tǒng)的型架穩(wěn)定性評估方法無法滿足對盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性的判斷。作者認為，可重構(gòu)型架的穩(wěn)定性評估需要從型架設(shè)計、制造和使用等全生命周期進行綜合研究，涉及測量和監(jiān)控、結(jié)構(gòu)和材料、安裝規(guī)范、使用環(huán)境等多個方面，同時需要引入現(xiàn)代產(chǎn)品服務(wù)中健康服役的理念和方法。

型架檢測方面，英國巴斯大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計制造研究中心聯(lián)合空客公司提出一種測量輔助工裝應(yīng)用(Metrology Enhanced Tooling for Aerospace, META)技術(shù)框架，即采用多種測量設(shè)備分別實現(xiàn)大尺寸整體測量和局部測量，測量結(jié)果通過采集、計算、分析，實時或準實時的反饋給工人、專家，實現(xiàn)對型架服役狀態(tài)的實時監(jiān)測[2,5]，但未見后續(xù)深入研究和報道。照相測量可以用于型架的穩(wěn)定性分析和定檢，如美國的GSI公司與諾斯羅普·格魯曼合作，利用V-STARS系統(tǒng)對波音-777襟翼型架的關(guān)鍵特征進行照相測量，結(jié)果表明V-STARS系統(tǒng)能夠顯著地提高測量速度[6]，但照相測量結(jié)果受被測目標和現(xiàn)場環(huán)境限制。林雪平大學(xué)和空客公司合作研究指出，由于可重構(gòu)裝配型架服役周期內(nèi)受力情況復(fù)雜，導(dǎo)致無法用理論計算獲取準確的變形結(jié)果，因而針對其穩(wěn)定性開展了關(guān)鍵點位置精度的監(jiān)測實驗研究[7]。該實驗過程僅針對無裝配任務(wù)且處于靜置狀態(tài)下的型架進行長時間監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果無法反映型架在使用階段時的服役狀態(tài)。

型架結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，劉忠良[8]提出設(shè)計合理的型架結(jié)構(gòu)是解決型架骨架剛度和保證型架關(guān)鍵定位點位置精度的有效措施，并給出了具體的工程實踐指導(dǎo)；潘志毅等[9]針對型架結(jié)構(gòu)布局設(shè)計提出了人機域優(yōu)化求解方法，考慮了人因工程對型架穩(wěn)定性的影響；洪學(xué)玲等[10]和黃海軍[11]分別針對型架骨架剛度進行了有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果開展骨架總體尺寸和型架梁截面尺寸的優(yōu)化設(shè)計，提高了型架的穩(wěn)定性；劉清軍[12]提出基于穩(wěn)定性的型架優(yōu)化設(shè)計方法，通過構(gòu)建飽和型架模型，實現(xiàn)了以型架穩(wěn)定性為目標的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計。

型架使用環(huán)境方面，劉忠良[13]指出熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致溫度變化引起的地面垂直變形的不均勻，以及型架材料熱脹冷縮的不一致，是產(chǎn)生型架關(guān)鍵定位點漂移的主要原因，并給出了不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料型架的熱膨脹綜合誤差計算公式；楊亞文和李策[1]更進一步提出了消除溫度影響型架穩(wěn)定性的方法。

型架作為一種特殊的工藝裝備，其服役健康狀態(tài)監(jiān)測與評估可以借鑒裝備健康管理的研究成果。許多學(xué)者對機械裝備的健康狀態(tài)評估進行了研究，即依靠先進的狀態(tài)監(jiān)測手段、可靠的評價方法和完整的運行數(shù)據(jù)來評判當前的健康狀況[14-15]。此類方法主要依靠多種類型傳感器進行數(shù)據(jù)采集，但通過對多家航空企業(yè)現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)上述研究不適用于可重構(gòu)裝配型架的服役狀態(tài)評估，主要原因是：

1) 型架服役期內(nèi)飛機產(chǎn)品裝配多以手工作業(yè)為主，且型架上關(guān)鍵測點數(shù)量眾多，如果采用大量傳感器進行實時監(jiān)測，將導(dǎo)致成本急劇增高且監(jiān)測系統(tǒng)的引入使得裝配現(xiàn)場不利于工人操作，延長生產(chǎn)周期。

2) 傳統(tǒng)評估方法通常是建立在大樣本基礎(chǔ)上，然而對于航空工業(yè)，樣本本身造價昂貴，同時對多個樣本進行試驗監(jiān)控的做法也不現(xiàn)實。

3) 型架失效(定位點漂移超出閾值)過程一般屬于性能退化的過程，當前評價指標采用某一時刻測點坐標值與理論值對比，以是否超出閾值的二分法作為型架性能的評判標準，該指標無法表征型架在某一時間段內(nèi)服役狀態(tài)的退化情況，不利于失效狀態(tài)的預(yù)測。

因此，首先針對盒式連接可重構(gòu)型架(以下簡稱型架)服役過程進行詳細分析，指出該過程是由作業(yè)期和空置期交替組合而成，并給出型架服役穩(wěn)定性及表征其優(yōu)劣的服役穩(wěn)定度定義。依據(jù)定義，考慮盒式連接可重構(gòu)型架模塊化特征及作業(yè)期與空置期的不同情況，提出融合測量數(shù)據(jù)和多源穩(wěn)定性影響因素分析的盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性評估方法，最后以某型垂尾盒式連接可重構(gòu)裝配型架為實驗對象，以驗證方法的有效性。

1 盒式連接可重構(gòu)型架服役過程分析

型架服役期是指型架從準備期(Preparatory Period)結(jié)束到型架上關(guān)鍵測量點漂移失效為止，交替經(jīng)歷了作業(yè)期(Operational Period)和空置期(Idle Period)。作業(yè)期，即型架處于裝配任務(wù)執(zhí)行階段，期間由裝配過程產(chǎn)生的不確定影響因素眾多，難以甚至無法使用激光跟蹤儀或傳感器進行長時間監(jiān)測；空置期，即型架處于裝配任務(wù)的間歇階段，此階段可采用激光跟蹤儀進行測量作業(yè)。若測量結(jié)果表征為失效，則服役期結(jié)束；反之，則進入下一個作業(yè)期。如圖1所示，與傳統(tǒng)焊接型架不同，盒式連接可重構(gòu)裝配型架服役期結(jié)束后返回準備期，通過檢修或更換失效模塊的方式使得型架重新進入新一輪的服役周期。

圖1 盒式連接可重構(gòu)裝配型架服役期Fig.1 Service period of box-joint reconfigurable assembly jig

由上述分析可知，型架服役期內(nèi)不同階段的服役狀態(tài)受裝配任務(wù)執(zhí)行情況的影響而存在波動變化，尤其作業(yè)期內(nèi)型架服役狀態(tài)變化的程度將直接影響產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。空置期雖然可以獲取某時刻關(guān)鍵點測量信息，實現(xiàn)空置期服役狀態(tài)評估，但并不能準確反映型架長期服役的能力，僅可視為型架能否進入下一輪作業(yè)期的預(yù)檢驗，即作業(yè)期初始服役狀態(tài)檢驗，而該狀態(tài)的不同在一定程度上也影響了型架的服役能力。因此，首先給出了型架服役穩(wěn)定性及表征其優(yōu)劣的服役穩(wěn)定度定義：

定義1服役穩(wěn)定性是指描述型架保持自身精度以執(zhí)行裝配任務(wù)的能力。在某種程度上，服役穩(wěn)定性反映了型架在服役階段的一定時間內(nèi)，其服役狀態(tài)保持在一定范圍的能力。

定義2服役穩(wěn)定度是表征服役穩(wěn)定性優(yōu)劣的度量，記為W。指從某一時刻型架處于某一服役狀態(tài)開始，在一定時間內(nèi)其服役狀態(tài)保持在一定范圍內(nèi)的概率，穩(wěn)定度越高，則穩(wěn)定性越好。

根據(jù)定義，從服役狀態(tài)退化的角度提出基于型架關(guān)鍵測量特性的空置期服役狀態(tài)評價模型構(gòu)建方法，并以測點偏差度表征型架作業(yè)期初始服役狀態(tài)的優(yōu)劣(詳見2.1節(jié))；同時從人、機、料、法、環(huán)等多源層面分析盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性影響因素，并提出穩(wěn)定性熵的概念以表征作業(yè)期內(nèi)服役狀態(tài)的“退化”程度(詳見2.2節(jié))。最終融合兩者構(gòu)建盒式連接可重構(gòu)型架模塊服役穩(wěn)定性評價模型，以實現(xiàn)準確、高效地穩(wěn)定性評估(詳見2.3節(jié))。

2 基于模塊服役狀態(tài)的盒式連接可重構(gòu)型架服役穩(wěn)定性評估方法

盒式連接可重構(gòu)型架具有模塊化特征，其優(yōu)勢不僅在于設(shè)計、安裝階段可以實現(xiàn)基于模塊化的快速配置和搭建，而且在服役和維修階段也可實現(xiàn)基于模塊的穩(wěn)定性評估和維修(更換)，有利于及時發(fā)現(xiàn)問題并針對性維護。因此，提出如圖2 所示的基于模塊服役狀態(tài)的盒式連接可重構(gòu)裝配型架穩(wěn)定性評估框架流程。

如圖2所示，盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性評估過程由空置期服役狀態(tài)評估、作業(yè)期服役狀態(tài)退化程度評估和穩(wěn)定性綜合評估3部分組成。空置期主要基于型架關(guān)鍵測量特性構(gòu)建服役狀態(tài)評價模型，對測量數(shù)據(jù)進行處理，以定量表征模塊空置期服役狀態(tài)的優(yōu)劣；作業(yè)期首先是對盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性影響因素進行數(shù)值化表示，并利用穩(wěn)定性熵表征在一定時間內(nèi)模塊作業(yè)期初始服役狀態(tài)的退化程度；綜合評估是融合上述兩種服役狀態(tài)評估數(shù)據(jù)構(gòu)建模塊服役穩(wěn)定度，以評估型架穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

圖2 盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性評估框架流程Fig.2 Flowchart for stability evaluation of box-joint reconfigurable jig

2.1 基于型架關(guān)鍵測量特性的空置期服役狀態(tài)評估

飛機制造過程中，若某個特性的改變對飛機產(chǎn)品的互換協(xié)調(diào)性產(chǎn)生巨大影響，那么這個特征即為關(guān)鍵特性(Key Characteristics, KCs)[16]。陳哲涵等[17]在考慮裝配工藝及現(xiàn)場測量條件下提出了關(guān)鍵測量特性(Key Measurement Characteristics, KMCs)，旨在降低測量成本和縮短測量周期。由于飛機裝配型架的應(yīng)用是保證飛機產(chǎn)品的裝配精度，所以對產(chǎn)品互換協(xié)調(diào)性產(chǎn)生巨大影響的飛機產(chǎn)品關(guān)鍵測量特性可對應(yīng)到裝配型架上，即通過飛機產(chǎn)品關(guān)鍵測量特性(Product KMCs)，就能得到型架關(guān)鍵測量特性(Jig KMCs)，如圖3所示。

圖3表示由產(chǎn)品關(guān)鍵測量特性映射為型架關(guān)鍵測量特性的過程。圖3左側(cè)所示為依托產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形成的產(chǎn)品關(guān)鍵測量特性樹，右側(cè)所示為產(chǎn)品關(guān)鍵測量特性映射得到的依托型架結(jié)構(gòu)形成的型架關(guān)鍵測量特性樹。例如保證外形的卡板輪廓度，保證長桁位置的定位器位置度，以及保證各個部件間交點處互相協(xié)調(diào)準確的接頭定位器交點孔同軸度等。目前，航空工業(yè)中采用基于坐標測量原理的數(shù)字化測量系統(tǒng)對型架關(guān)鍵測量特性進行監(jiān)控，因此需要依據(jù)裝配工藝與企業(yè)數(shù)字化測量能力，將關(guān)鍵測量特性進一步分解為目標測量點，稱為關(guān)鍵測量點集，其空間坐標測量結(jié)果是對型架空置期進行服役狀態(tài)監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)，包括理論數(shù)據(jù)(Nominal Data)和測量數(shù)據(jù)(Measured Data)。

圖3 產(chǎn)品關(guān)鍵測量特性與型架關(guān)鍵測量特性之間映射關(guān)系Fig.3 Mapping relationship between Product KMC and Jig KMC

根據(jù)上述原始數(shù)據(jù)并結(jié)合盒式連接可重構(gòu)裝配型架模塊化特征，首先將型架劃分為N個模塊，記為{Mu|u=1,2,…,N}。以某型垂尾裝配型架為例示意，如圖4中上半部分所示為型架組成結(jié)構(gòu)的模塊化劃分標準。然而該劃分標準在穩(wěn)定性評估中存在一些弊端，例如由于模塊上無測量點導(dǎo)致無法檢測該模塊的位置精度等。故以上述模塊化劃分標準為基礎(chǔ)，并面向型架的穩(wěn)定性評估，提出如下3條劃分準則以構(gòu)建模塊Mu。

準則1模塊功能獨立性，指型架中同類模塊需按照具體應(yīng)用功能進行再劃分。如圖4中某型垂尾裝配型架可將定位器模塊細分為1號肋定位器(No.1 Rib Locator)、后梁定位器(Rear Spar Locator)、卡板定位器(Board Locator)、前梁定位器(Front Spar Locator)及根肋定位器(Root Rib Locator)等。

準則2模塊功能完整性，指型架中將協(xié)作實現(xiàn)同一功能的不同模塊需劃分為同一模塊。如圖4中各類定位器需要與盒式連接共同作用，實現(xiàn)飛機產(chǎn)品零件的定位功能，因此將定位器與盒式連接劃分為同一模塊。

準則3模塊位置可測性，指型架中將無測量點的模塊與有測量點的模塊劃分為同一模塊，以原測量點作為新模塊位置的測量基準，從而實現(xiàn)基于其測量值的無測量點模塊位置的間接表征。如圖4中將有測量點的骨架模塊與無測量點的地腳支撐模塊劃分為同一模塊等。

因此，以某型垂尾裝配型架為例，其模塊劃分如圖4中下半部分所示?；谏鲜瞿K劃分結(jié)果，將每個模塊上的測點劃分為一個測點集，然后構(gòu)建基于測點絕對位置準確度和測點間相對位置準確度的模塊服役狀態(tài)評價模型，以描述其從健康到失效劣化的過程。最后基于此模型構(gòu)建測點偏差度表達函數(shù)，以表征某一時刻服役狀態(tài)轉(zhuǎn)移的可能性。

2.1.1 測點超差分析

(1)

測點超差可通過式(2)計算獲得：

(2)

則t時刻模塊Mu中所有測點超差值可記為{ξti|i=1,2,…,m}。

2.1.2 測點約束超差分析

測點約束超差分析旨在表征測點間的相對位置準確度是否滿足閾值要求。它能更好的表達測點之間的關(guān)系，尤其對于可重構(gòu)裝配型架，不同模塊間的測點相對位置準確度能直觀反映型架組成模塊之間裝配的相對位置精度，從而反映了基于此模塊定位的待裝組件裝配應(yīng)力的大小。測點間主要的約束包括距離約束、共線約束及對稱約束，假設(shè)dist(·)為距離計算函數(shù)，則記約束實測誤差為

(3)

(4)

圖5 測點和之間約束超差分析原理圖Fig.5 Schematic diagram of constraint out-tolerance analysis between

(5)

則測點約束超差可通過式(6)計算獲得：

(6)

2.1.3 測點位置可行域求解

測點位置可行域是指測點測量數(shù)據(jù)滿足公差要求的可行位置集合。若測點實測坐標處于位置可行域內(nèi)，則認為該測點滿足定檢要求。目前航空工業(yè)中，測點位置可行域的設(shè)定僅考慮了測點絕對位置公差帶，而忽略了測點相對位置約束關(guān)系的影響，不利于測點位置精度的評估。因此綜合考慮測點絕對位置公差與相對位置公差，構(gòu)建合理的測點位置可行域是實現(xiàn)模塊服役狀態(tài)評估的必要條件。

(7)

圖6 測點的絕對位置可行域與相對位置可行域Fig.6 Feasible region of absolute position and relative position of

其中σ′0i=Kε0i，0

2.1.4 基于測點位置準確度的模塊服役狀態(tài)評價模型構(gòu)建

表1 盒式連接可重構(gòu)裝配型架模塊服役狀態(tài)劃分等級

在已知服役狀態(tài)的基礎(chǔ)上，又構(gòu)建了與樣本容量無關(guān)的數(shù)字特征，即測點偏差度，以表征當前服役狀態(tài)的優(yōu)劣，不同的服役狀態(tài)對應(yīng)的偏差度函數(shù)不同，如表2所示。以t時刻空置期服役狀態(tài)為健康狀態(tài)為例，模塊Mu中所有測點均屬于可行域S′，其中誤差最大值點偏移理論位置的距離與可行域S′范圍的比值即為偏差度，記為GMu。

表2 不同服役狀態(tài)所對應(yīng)的偏差度函數(shù)Table 2 Deviation degree functions of different service states

偏差度越大，測點發(fā)生漂移的可能性越高，則型架進入作業(yè)期后出現(xiàn)服役狀態(tài)轉(zhuǎn)移的可能性越高；反之，偏差度越小，作業(yè)期內(nèi)出現(xiàn)服役狀態(tài)轉(zhuǎn)移的可能性越低。因此，以偏差度作為空置期服役狀態(tài)的度量，可為下一輪作業(yè)期內(nèi)服役狀態(tài)退化程度評估提供一個評價指標。

2.2 基于穩(wěn)定性熵的作業(yè)期服役狀態(tài)退化程度評估

空置期服役狀態(tài)評估僅是依靠測量所獲取的準確數(shù)據(jù)完成了型架作業(yè)期初始服役狀態(tài)的度量，由于型架在作業(yè)期內(nèi)無法實時獲取關(guān)鍵測點數(shù)據(jù)，因而難以實現(xiàn)通過測量數(shù)據(jù)描述型架服役狀態(tài)的退化過程。故合理利用其它有效信息，如專家知識、型架有限元分析數(shù)據(jù)和歷史型號產(chǎn)品在使用過程中留下的數(shù)據(jù)等，是解決盒式連接可重構(gòu)裝配型架樣本數(shù)據(jù)匱乏的重要手段。因此，提出首先從人、機、料、法、環(huán)5個層面分析影響穩(wěn)定性因素，并給出量化指標，然后結(jié)合其他有效信息完成型架作業(yè)期內(nèi)的打分評定，最后提出穩(wěn)定性熵的概念用以表征盒式連接可重構(gòu)型架服役狀態(tài)退化程度。

2.2.1 穩(wěn)定性影響因素分析

盒式連接可重構(gòu)裝配型架服役穩(wěn)定性主要受型架本身的裝配質(zhì)量和服役階段中過程因素的綜合影響。因此從人、機、料、法、環(huán)5個方面對穩(wěn)定性影響因素展開溯源分析[18]，并利用魚骨圖的形式表達，如圖7所示。

圖7 影響盒式連接可重構(gòu)裝配型架穩(wěn)定性因素分析Fig.7 Analysis of influence factors of stability of box-joint reconfigurable assembly jig

1) 人(Man)：在可重構(gòu)裝配型架的作業(yè)期內(nèi)，飛機產(chǎn)品零組件的定位與裝配主要由人工操作完成，裝配人員的技術(shù)熟練度、身體狀態(tài)、安全規(guī)范意識等因素影響型架的服役狀態(tài)。

2) 機(Machine)：可重構(gòu)裝配型架的結(jié)構(gòu)設(shè)計對其自身穩(wěn)定性的影響十分重要。骨架結(jié)構(gòu)剛度影響定位點在產(chǎn)品裝配過程中的定位精度，可通過有限元分析獲取有效信息；飛機產(chǎn)品裝配鉚接時的激振頻率對定位點漂移的影響；結(jié)構(gòu)開敞性不好導(dǎo)致人員與型架碰撞等因素影響型架的服役狀態(tài)。

3) 料(Material)：可重構(gòu)裝配型架的主要特點是采用螺栓連接，依靠摩擦力保證定位元件的位置精度。因此在型架作業(yè)期內(nèi)，螺栓的性能和骨架梁材料表面摩擦系數(shù)是保證可重構(gòu)裝配型架穩(wěn)定性的重要因素。

4) 法(Method)：可重構(gòu)裝配型架的安裝工藝及其服役階段的使用規(guī)范影響著型架的穩(wěn)定性。如螺栓預(yù)緊力的大小未達到設(shè)計要求易導(dǎo)致盒式連接板松動，從而出現(xiàn)固定在連接板上的定位器產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，影響穩(wěn)定性。

5) 環(huán)(Environments)：可重構(gòu)裝配型架服役階段環(huán)境溫度、濕度、地基平整度對穩(wěn)定性有著重要影響。如溫差變化顯著易引起型架材料熱脹冷縮，導(dǎo)致型架骨架變形和定位點漂移；地基下沉同樣影響型架基準變化，導(dǎo)致定位點漂移。

基于上述5個方面的穩(wěn)定性影響因素分析，分別給出具體因素的量化指標，采用十分制表示，其中10分表示該影響因素對穩(wěn)定性影響最嚴重，0分表示最不嚴重，如表3所示。

表3中關(guān)鍵指標數(shù)據(jù)說明：

表3 穩(wěn)定性影響因素評分標準Table 3 Scoring criteria of influencing factors of stability

1) 結(jié)構(gòu)剛度(Structural Stiffness)的評分標準是依據(jù)歷史相關(guān)數(shù)據(jù)而設(shè)定的，通常認為模塊結(jié)構(gòu)受力變形量超過0.1 mm，則會造成產(chǎn)品的定位超差，將0～0.1 mm的變形范圍劃分為五個等級，并分別與相應(yīng)得分建立映射關(guān)系。當評定打分時，可利用型架模塊的變形仿真分析數(shù)據(jù)進行評估；

3) 耐磨性(Abrasion Resistance)的評分標準是依據(jù)模塊硬度值而設(shè)定的，硬度值越高，耐磨性越好。

4) 環(huán)境溫差(Temperature Variations)的評分標準是參考歷史相關(guān)數(shù)據(jù)而設(shè)定的[1,13]，通常夏季一天之內(nèi)溫差變化約為10 ℃，廠房安裝有空調(diào)，溫差變化更小，更有利于保持型架穩(wěn)定性。

2.2.2 穩(wěn)定性熵計算

美國數(shù)學(xué)家Shannon[19]提出信息熵是信息無序度的度量，無序度越大，信息熵越高；無序度越小，則信息熵越小。王波和唐曉青[20]提出裝配質(zhì)量熵(Assembly Quality Entropy，AQE)的概念，描述了裝配產(chǎn)品質(zhì)量損失的大小，反映出裝配過程中的實物質(zhì)量損失和非實物潛在質(zhì)量損失。通過對可重構(gòu)裝配型架服役過程及穩(wěn)定性影響因素分析可知，在作業(yè)期內(nèi)多種因素影響造成型架服役狀態(tài)處于長期退化的過程，這種可重構(gòu)裝配型架服役狀態(tài)的損失與裝配質(zhì)量熵的微觀解釋在思維方法上具有相似之處。因此，在參考和借鑒信息熵和裝配質(zhì)量熵定義的基礎(chǔ)上，提出了型架穩(wěn)定性熵的概念。

定義3穩(wěn)定性熵是指在可重構(gòu)裝配型架服役階段中其服役狀態(tài)退化程度的一種量度，熵值越大，則退化程度越大，服役狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移的可能性越大，穩(wěn)定性越差，則穩(wěn)定性熵定義為

H(Fi)=(-1/lnn)QilnQi

(8)

式中：Fi表示影響可重構(gòu)型架服役穩(wěn)定性因素，n表示影響因素總數(shù)，則記{Fi|i=1,2,…,n}；Qi表征第i個因素對穩(wěn)定性的影響程度。

其綜合穩(wěn)定性熵為

(9)

因此，可重構(gòu)裝配型架模塊Mu的穩(wěn)定性熵計算流程為

表4 不同級別專家話語權(quán)占比重

1) 同一級別專家的每項影響因素得分求平均值，得到每一級別的每項影響因素得分。則

(10)

2) 根據(jù)各級別話語權(quán)占比重Z1,Z2,…,Z5計算各影響因素的得分。即

(11)

(12)

4) 進行標準化處理以消除不同度量標準和方法的影響，采用直線型無量綱化法中的極值法進行數(shù)據(jù)處理[21]。

(13)

步驟3第i個因素對模塊Mu穩(wěn)定性的影響程度值定義為

(14)

(15)

2.2.3 影響因素的綜合權(quán)重計算

(16)

綜合主、客觀權(quán)重，在λi和γi的基礎(chǔ)上，得到第i項影響因素的綜合權(quán)重為

(17)

2.3 融合測量數(shù)據(jù)與多源影響因素分析的模塊穩(wěn)定性綜合評估

盒式連接可重構(gòu)型架是由不同模塊搭建而成，任何一個模塊的功能失效都將導(dǎo)致型架的服役期結(jié)束。因此針對盒式連接可重構(gòu)型架各模塊的服役狀態(tài)評估，更能快速、準確地發(fā)現(xiàn)型架服役過程中的穩(wěn)定性問題，更具有評估意義。故綜合考慮空置期服役狀態(tài)和作業(yè)期服役狀態(tài)退化程度的共同影響，提出融合測量數(shù)據(jù)及多源穩(wěn)定性影響因素分析的盒式連接可重構(gòu)型架模塊穩(wěn)定性評估方法，該方法充分利用測點的測量數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性影響因素評定數(shù)據(jù)，構(gòu)建盒式連接可重構(gòu)型架模塊的服役穩(wěn)定度函數(shù):

(18)

式中：WMu表示模塊Mu的服役穩(wěn)定度；偏差度GMu表征模塊Mu空置期服役狀態(tài)的優(yōu)劣，GMu越小，則型架進入作業(yè)期后出現(xiàn)服役狀態(tài)轉(zhuǎn)移的可能性越低，穩(wěn)定性越好；WMu還與作業(yè)期內(nèi)服役狀態(tài)退化程度有關(guān)，以穩(wěn)定性熵HMu度量，HMu越小，表示受噪聲影響所導(dǎo)致的服役狀態(tài)波動程度越小，保持服役狀態(tài)的能力越強，穩(wěn)定性越好。基于服役穩(wěn)定度構(gòu)建了盒式連接可重構(gòu)型架模塊的服役穩(wěn)定性評價模型如式(19)所示:

(19)

3 實驗驗證

以某型垂尾盒式連接可重構(gòu)裝配型架中后梁定位器模塊為例進行服役穩(wěn)定性評估實驗驗證，如圖4所示，其上3個測點分別是OTP-2、OTP-3和OTP-4，其理論數(shù)據(jù)如表5所示(由某飛機公司提供并已經(jīng)過處理)。為了提高空置期實測數(shù)據(jù)的準確度，盡量減少其受人、機、料、法、環(huán)等方面影響，在測量過程中，實施了諸如提高檢測人員的資質(zhì)水平、保證測量儀器的使用狀態(tài)、提高測點位置材料的耐磨性、針對測量結(jié)果采取溫度補償、控制作業(yè)現(xiàn)場的溫度及避免地面的過大振動等相應(yīng)措施。因此，當前空置期測點數(shù)據(jù)可視為綜合以上5個方面影響下的型架服役狀態(tài)的數(shù)字表征，可直接用于反映型架當前服役狀態(tài)的優(yōu)劣。

實驗過程歷時3個時間段：

表5 后梁定位器模塊測點集理論數(shù)據(jù)Table 5 Theoretical data of from rear spar locator module mm

表6 不同級別專家針對型架開敞性影響因素評分

根據(jù)式(11)計算可得

0.28×4+0.36×2=3.2

(20)

根據(jù)式(12)計算可得

(21)

表7 后梁定位器模塊作業(yè)期內(nèi)影響因素評定及穩(wěn)定性熵計算(第1個時間段)

表8 影響因素主觀權(quán)重計算的判斷矩陣(第1個時間段)Table 8 Judgment matrix of subjective weights of influencing factors (The first time period)

0.806>0

(22)

表9 t1時刻后梁定位器模塊測點集實測數(shù)據(jù)Table 9 Measured data of from rear spar locator module at t1 mm

第二個時間段：2019/5/27～2019/7/26。由上述分析結(jié)果可知，后梁定位器模塊空置期t1時刻服役狀態(tài)為健康狀態(tài)，則根據(jù)健康狀態(tài)的偏差度計算公式得GMu(A)=0.64。與第1個時間段相比，該時間段的作業(yè)期內(nèi)摩擦系數(shù)、耐磨性、螺栓預(yù)緊力及地基平整度等影響因素發(fā)生變化：

1)由于型架長期、連續(xù)使用而導(dǎo)致模塊材料磨損，造成摩擦系數(shù)及耐磨性降低。

2)同時也導(dǎo)致型架裝配工藝中螺栓松動，造成預(yù)緊力不足。

3)該時間段春夏交替，溫差變化造成地基平整度降低。

因此，影響因素評定及穩(wěn)定性熵計算如表10所示，其中影響因素評分參考表3，主觀權(quán)重計算的判斷矩陣如表11所示。

表10 后梁定位器模塊作業(yè)期內(nèi)影響因素評定及穩(wěn)定性熵計算(第2個時間段)

表11 影響因素主觀權(quán)重計算的判斷矩陣(第2個時間段)Table 11 Judgment matrix of subjective weights of influencing factors (The second time period)

采用相同的計算方法，并將計算結(jié)果GMu(A)=0.64及HMu=0.202代入式(19)得

(23)

表12 t2時刻后梁定位器模塊測點集實測數(shù)據(jù)(單位：mm)Table 12 Measured data of from rear spar locator module at t2

第3個時間段：2019/7/29—2019/10/9。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，后梁定位器模塊空置期t2時刻服役狀態(tài)為健康狀態(tài)，則根據(jù)健康狀態(tài)偏差度計算公式得GMu(A)=0.84。與第2個時間段相比，該時間段的作業(yè)期內(nèi)工人身體狀態(tài)、結(jié)構(gòu)剛度、耐磨性及溫差等影響因素發(fā)生變化：

1) 該時間段夏季氣候悶熱，造成工人身體狀態(tài)欠佳。

2) 型架長期、連續(xù)使用造成結(jié)構(gòu)剛度減小。

3) 型架長期、連續(xù)使用造成材料耐磨性降低。

4) 夏季溫差變化小。

因此，影響因素評定及穩(wěn)定性熵計算如表13所示，其中影響因素評分參考表3，主觀權(quán)重計算的判斷矩陣如表14所示。

表13 后梁定位器模塊作業(yè)期內(nèi)影響因素評定及穩(wěn)定性熵計算(第3個時間段)

表14 影響因素主觀權(quán)重計算的判斷矩陣(第3個時間段)Table 14 Judgment matrix of subjective weights of influencing factors (The third time period)

采用相同的計算方法，并將計算結(jié)果GMu(A)=0.84及HMu=0.206代入式(19)得

(24)

表15 t3時刻后梁定位器模塊測點集實測數(shù)據(jù)Table 15 Measured data of from rear spar locator module at t3 mm

4 結(jié) 論

1) 結(jié)合盒式連接可重構(gòu)型架模塊化特征提出針對各模塊服役狀態(tài)的穩(wěn)定性評估方法，能夠更快速、準確地發(fā)現(xiàn)型架服役過程中的穩(wěn)定性問題，便于及時采取針對性維護，更具有評估意義，為盒式連接可重構(gòu)型架的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2) 基于型架關(guān)鍵測量特性分析構(gòu)建了包含4種服役狀態(tài)的評價模型，并提出了相應(yīng)的偏差度函數(shù)，實現(xiàn)了盒式連接可重構(gòu)型架空置期服役狀態(tài)評估及退化過程的描述。

3) 從人、機、料、法、環(huán)5個層面分別給出型架穩(wěn)定性影響因素的量化指標并構(gòu)建了評分體系，在此基礎(chǔ)上提出穩(wěn)定性熵的概念，實現(xiàn)了盒式連接可重構(gòu)型架作業(yè)期服役狀態(tài)退化程度的評估。

4) 提出的融合測量數(shù)據(jù)與多源穩(wěn)定性影響因素分析的盒式連接可重構(gòu)型架模塊穩(wěn)定性綜合評估方法既充分考慮了空置期服役狀態(tài)對盒式連接可重構(gòu)型架穩(wěn)定性的影響，又考慮了作業(yè)期因缺少測量數(shù)據(jù)而難以準確評估服役狀態(tài)的不足，相比傳統(tǒng)的定檢方法能夠更簡捷、有效地完成型架整個服役過程的穩(wěn)定性評估，有助于避免型架在作業(yè)期發(fā)生穩(wěn)定性問題，更具指導(dǎo)意義。